Chauffer demande de l’énergie
Élever la température d’un matériau demande de l’énergie, et certains matériaux en demandent bien plus que d’autres. La grandeur qui le mesure est la capacité thermique massique, aussi appelée chaleur massique : l’énergie nécessaire pour réchauffer un kilogramme de matériau d’un degré Celsius, ou d’un kelvin. L’eau a l’une des valeurs les plus élevées des substances courantes : c’est pourquoi une casserole d’eau met longtemps à bouillir et pourquoi les océans adoucissent le climat des côtes.
La formule
Q = m × c × ΔT
- Q est l’énergie thermique en joules,
- m la masse en kilogrammes,
- c la capacité thermique massique en J/(kg·K),
- ΔT l’écart de température, en °C ou en kelvins (c’est le même).
Le calculateur donne aussi l’énergie en kilowattheures et en kilocalories, et la durée qu’il faudrait à un appareil de puissance donnée si aucune chaleur n’était perdue.
Exemple chiffré
Vous chauffez 1 kg d’eau de 20 °C à 100 °C avec une bouilloire de 2 000 W.
- Écart de température : 80 K.
- Q = 1 × 4 186 × 80 = 334,9 kJ.
- Soit 0,093 kWh, ou 80 kcal.
- Durée de chauffe sans pertes : 334 880 ÷ 2 000 = 2 minutes 47 secondes. Une vraie bouilloire met un peu plus, car une partie de la chaleur réchauffe l’appareil et s’échappe dans l’air.
Capacité thermique de matériaux courants
| Matériau | Capacité thermique, J/(kg·K) |
|---|---|
| Eau | 4 186 |
| Glace | environ 2 100 |
| Huile d’olive | environ 1 970 |
| Bois | environ 1 700 |
| Air (à pression constante) | 1 005 |
| Aluminium | 897 |
| Béton | environ 880 |
| Verre | environ 840 |
| Fer et acier | environ 450 |
| Cuivre | 385 |
Pourquoi c’est important
- Cuisine : une poêle en aluminium chauffe en quelques secondes, alors que l’eau qu’elle contient met des minutes, car la capacité thermique de l’eau est plus de quatre fois supérieure.
- Chauffage : l’eau circule dans les radiateurs et remplit les ballons d’eau chaude parce qu’elle stocke beaucoup de chaleur par kilogramme.
- Climat : les grandes étendues d’eau se réchauffent et se refroidissent lentement, ce qui rend les hivers plus doux et les étés plus frais sur les côtes.
- Bâtiment : les matériaux lourds comme le béton ou la pierre stockent la chaleur le jour et la restituent la nuit : c’est l’inertie thermique.
Les changements d’état
La formule vaut pour un chauffage ou un refroidissement sans changement d’état. Faire fondre la glace ou vaporiser l’eau demande une énergie supplémentaire, la chaleur latente : 334 kJ par kilogramme pour fondre la glace et 2 257 kJ par kilogramme pour transformer l’eau bouillante en vapeur. Pour passer de la glace à 0 °C à la vapeur, ajoutez ces valeurs au résultat de chaque étape de chauffage.
Le coût de l’énergie
Multipliez le résultat en kWh par le prix de votre électricité pour estimer le coût. Porter 1 kg d’eau à ébullition coûte bien moins d’un centime, alors que réchauffer de 45 °C un ballon d’eau chaude de 200 litres consomme environ 10,5 kWh.