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Capacité thermique : énergie pour chauffer un matériau (Q = mcΔT)

Calculez l'énergie nécessaire pour chauffer ou refroidir de l'eau, un métal, du verre ou tout autre matériau, et le temps de chauffe pour une puissance donnée.

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J/(kg·K)

Valeur hors limites

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Unité de température

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Résultats

Énergie thermique

334,9

Durée de chauffe à cette puissance (sans pertes)

2:47

En kilowattheures
0,093 kWh
En kilocalories
80,0 kcal
Écart de température
80,0 K
Capacité thermique retenue
4 186 J/(kg·K)

Énergie pour d'autres masses

Énergie thermiqueDurée de chauffe à cette puissance (sans pertes)
0,25 kg actuel83,70:42
0,50 kg actuel167,41:24
1 kg actuel334,92:47
2 kg actuel669,85:35
5 kg actuel1 674,413:57
20 kg actuel6 697,655:49

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.

  1. Écart de température : 80 K.
  2. Q = 1 × 4 186 × 80 = 334,9 kJ.
  3. Soit 0,093 kWh, ou 80 kcal.
  4. 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.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que la capacité thermique massique ?

L'énergie nécessaire pour élever de 1 °C (1 K) la température de 1 kg d'un matériau. Pour l'eau, elle vaut 4 186 J/(kg·K), l'une des plus élevées des substances courantes.

Comment calculer une énergie thermique ?

Q = m × c × ΔT. Chauffer 1 kg d'eau de 20 à 100 °C demande 1 × 4 186 × 80 = 334 880 J, soit environ 0,093 kWh.

Pourquoi le métal chauffe-t-il plus vite que l'eau ?

Les métaux ont une capacité thermique bien plus faible : 385 J/(kg·K) pour le cuivre et 897 pour l'aluminium, contre 4 186 pour l'eau. La même énergie élève donc beaucoup plus leur température.

Le calcul inclut-il la fusion ou l'ébullition ?

Non. Un changement d'état demande en plus une chaleur latente : environ 334 kJ/kg pour faire fondre la glace et 2 257 kJ/kg pour vaporiser l'eau, en plus de l'énergie calculée ici.

Ce calculateur vous a-t-il été utile ?

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