Capacités calorifiques
Les capacités calorifiques ont été définies au paragraphe précédent comme les dérivées partielles des grandeurs d'état \(U\) et \(H\) par rapport à la température :
\(\mathbf{\Big(\frac{\partial U}{\partial T}\Big)_V=C_V}\) , \(\mathbf{\Big(\frac{\partial H}{\partial T}\Big)_p=C_p}\)
Le but de ce chapître est de clarifier ces notions de capacités calorifiques et en particulier de préciser le vocabulaire utilisé. Ces notions peuvent être mal comprises car le symbole employé est toujours le même (\(C_p\) ou \(C_V\)) quel que soit le type de capacité calorifique....
Capacité calorifique d'un système :
Définition :
Par exemple, un système constitué de 200 g d'eau liquide à 25°C aura une capacité calorifique de 836 J.K-1.
La capacité calorifique d'un système s'exprime toujours en unités d'énergie par degré, c'est à dire en J.K-1 dans le système international d'unités. La capacité calorifique d'un système dépend de la taille de ce système et elle est additive c'est à dire que si un système comprend plusieurs constituants elle correspond à la somme des capacités calorifiques de chacun de ces constituants. Par exemple, si le système correspond à 400 g d'eau liquide à 25°C placés dans un récipient en verre , la capacité calorifique du système sera la somme de la capacité calorifique de l'eau liquide (1672 J.K-1 ) et de la capacité calorifique du récipient en verre.
Capacité calorifique molaire :
Définition :
Ainsi, la capacité calorifique molaire de l'eau liquide vaut 75,2 J. mol-1.K-1 à 25°C. (On vérifiera que cette valeur est compatible avec la précédente et qu'elle permet de retrouver la valeur de \(C_p\) de 200 g d'eau liquide c'est à dire de \(\frac{200}{18}\textrm{ mol d'eau}\) ; en effet, \(836 = \textrm{75,2} . \frac{200}{18}\) .)
Capacité calorifique massique :
Définition :
La capacité calorifique massique en J.kg-1.K-1 ou J.g-1.K-1 correspond à un système défini par l'unité de masse (kg ou g) d'un composé. (on emploie parfois l'expression 'chaleur massique')
Toujours à 25°C, pour l'eau liquide, la capacité calorifique massique vaudra 4180 J.kg-1.K-1 ou 4,18 J.g-1.K-1.
Notez que l'ancienne unité d'énergie, la calorie, a été définie à partir de la capacité calorifique massique d'un gramme d'eau.
Remarque :
La capacité calorifique d'un système en J. K-1 correspond à celle du contenu du système c'est à dire qu'elle correspond au contenu et au contenant du système. En particulier, dans le cas d'un calorimètre, la capacité calorifique du calorimètre est la capacité calorifique des liquides contenus dans le calorimètre et celle de l'enceinte calorimétrique elle-même. Cette dernière est parfois exprimée comme la masse d'eau ayant la même capacité calorifique que le calorimètre c'est la valeur en eau du calorimètre.
La capacité calorifique d'un calorimètre est en général assez faible de l'ordre de quelques dizaines de Joules. C'est une grandeur expérimentale que l'on détermine à partir de mesures et de calculs du type de ceux décrits au paragraphe "Exemples de calculs calorimétriques, Calcul de la température finale d'un système lors du mélange de 2 liquides miscibles".
La valeur en eau d'un calorimètre correspond à la masse d'eau ayant la même capacité calorifique que le calorimètre vide. Ainsi, un calorimètre ayant une capacité calorifique de 80 J K-1 aura une valeur en eau de 19,1 g .