Chaleur spécifique (capacité calorifique)
Approfondissement : les origines de la capacité calorifique.
Manipuler la capacité calorifique.
Définition et mesure. Chauffer un matériau coûte de l'énergie. L'énergie pour chauffer 1 kg d'1°C est appelée la chaleur spécifique ou capacité calorifique, et comme on la mesure d'habitude à pression constante (la pression atmosphérique) on lui a donné le symbole
. Ses unités sont des J/kg.°K. Lorsque l'on traite des gaz, il est plus courant de mesurer la capacité calorifique à volume constant (symbole
) et pour les gaz, cette valeur est différente de
. Pour des solides, la différence est tellement faible qu'on peut l'ignorer, et nous le ferons, en l'appelant simplement la chaleur spécifique ou la capacité calorifique
. On la mesure par la technique appelée calorimétrie, qui est également une mesure standard pour mesurer la température de transition vitreuse
. L'illustration 1 montre comment on fait cette mesure en principe. On injecte une quantité mesurée d'énergie (ici de l'énergie électrique) dans un échantillon de matériau de masse connue. On mesure alors l'augmentation de température. La capacité calorifique est l'énergie requise pour augmenter la température d'un kilogramme de matériau d'1°C. Les calorimètres réels sont beaucoup plus compliqués que cela, mais le principe est le même.
Approfondissement : les origines de la capacité calorifique. La chaleur est due aux mouvements des atomes. Dans les solides, les atomes vibrent autour de leurs positions moyennes avec une amplitude qui augmente avec la température. Les atomes dans les solides ne peuvent pas vibrer indépendamment les uns des autres mais sont couplés par leurs liaisons interatomiques; les vibrations sont comme des ondes stationnaires élastiques. Dans toute rangée d'atomes il y a la possibilité d'avoir un mode longitudinal de vibration et deux modes perpendiculaires, comme dans l'illustration 2. Certains de ces modes ont des longueurs d'onde courtes et une énergie élevée, d'autres une grande longueur d'onde et une énergie plus basse - on a représenté trois de ces modes dans l'illustration 3. La longueur d'onde la plus courte possible, 
, est juste égale à deux fois la distance interatomique; les autres vibrations ont des longueurs d'onde qui sont plus grandes. Dans un solide avec N atomes il y a N longueurs d'onde discrètes et chacune a un mode longitudinal et deux modes transverses, en tout 
modes. Leurs amplitudes sont telles qu'en moyenne, chacun a une énergie 
où 
est la constante de Boltzmann, 1,38 x 10-23 J/°K. Si le volume occupé par un atome est 
, alors le nombre d'atomes par unité de volume est 
et l'énergie thermique totale par unité de volume dans le matériau est 
. La capacité calorifique par unité de volume,
, est le changement de cette énergie par changement d'un degré de température ce qui donne
Les volumes atomiques ne variant pas beaucoup; Tous se trouvent à un facteur 3 près de la valeur de 2 x 10-29 /m3 ce qui donne une capacité calorifique volumétrique de
Si vous portez en graphique 
en fonction de 
en utilisant Ansys Granta EduPack vous trouverez que c'est une assez bonne approximation. Voir Conductivité thermique pour plus d'informations sur les vibrations du réseau.
Manipuler la capacité calorifique. La capacité calorifique est comme le module ou le point de fusion - elle dépend de la rigidité et de la force des liaisons interatomiques. Il n'y a pas grand-chose que vous puissiez faire pour les changer et donc la capacité calorifique par unité de poids d'un matériau donné, 
, est en dehors de votre contrôle. La capacité calorifique par unité de volume,
, d'autre part, peut être réduite juste en changeant la densité - en produisant une structure poreuse ou semblable à une mousse - utile lorsque vous voulez une structure qui va se chauffer ou se refroidir rapidement.
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Auteur |
Titre |
Chapitre |
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Baïlon & Dorlot |
Des matériaux |
9 |
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Ashby et coll. |
Materials: Engineering, Science, Processing and Design |
12, 13 |
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Askeland & Wright |
The Science and Engineering of Materials |
9 |
|
Callister & Rethwisch |
Materials Science and Engineering: An Introduction |
19 |
|
Callister & Rethwisch |
Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach |
17 |
|
Shackelford |
Introduction to Materials Science for Engineers |
7 |
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