Chaleur spécifique

Il est possible de calculer la quantité de chaleur Q contenu dans de la matière. Il faut toutefois prendre garde que si l’on essaie d’augmenter la température d’une même masse de matière par exemple 1 kg d’eau, 1 kg d’air ou de 1 kg de béton de 1°C, on constate qu’il faut ne pas la même quantité selon la matière considérée. La quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température ne dépend donc pas seulement de la masse, mais aussi de la capacité de stockage de la chaleur de la matière.

La connaissance de  la chaleur spécifique c de la matière permet de calculer l’énergie qu’il est nécessaire de fournir pour élever de 1°C une masse de 1 kg de cette matière. Elle est toujours basée sur 1 kg de matière et 1 °C (ou K), et a comme unité [J/kg °C] dans le système d’unité international SI.

 

On remarque que l’eau a la capacité calorifique la plus élevée de toutes les matières envisagées ci-dessus. Il faut donc bien plus d’énergie calorifique pour amener l’eau à une température plus élevée que pour d’autres substances. L’huile a une chaleur spécifique deux fois inférieure à l’eau. Lors de calculs avec les quantités de chaleur, nous sommes donc intéressés par la masse ,  la chaleur spécifique c et la différence de température °C  avant et après le chauffage. La raison en est que ces critères déterminent de manière décisive quelle quantité de chaleur nous devons apporter à la matière. Si nous procédons à l’inverse et plaçons un corps chauffé dans un environnement plus froid, alors à partir de sa masse, sa chaleur spécifique et la diminution de température entre le corps et son environnement, nous pouvons calculer la quantité maximum de chaleur que ce corps peut libérer.

Quantité de chaleur Q

La formule suivante s’applique :  Q =m cDθ   avec :

m     masse du produit en kg
c      chaleur spécifique du produit en joule/kg et °C
Dθ   élévation ou diminution de la température du produit en °C
L’unité de la quantité de chaleur est le joule ou 1000 J = 1 kJ (kilojoule).  1 calorie = 4,18 joules

Cas de l'eau

Par exemple dans un système de chauffage, si nous souhaitons augmenter la température de 20 m3  (20 000 kg) d'eau de 30 °C  en faisant passer ce volume d’eau de 10 à 40°C, nous avons besoin d’une énergie égale       à Q  = Vc_e(θ₁ – θ₂)=20 000 x 4,18 x (40-10)= 2 500 000 kilojoules 

Soit puisque 1 kWh = 3,6 10³ kilojoules    Q = 695 kWh

 

C'est sensiblement l'énergie que nous consommons le matin pour nous laver

Cas de l'air

Le volume d'air de nos appartements est estimé à V= 15 600 m³ (hauteur de plafond 2,6m)  et une surface totale habitables de 6000 m² (grosso modo 100 appartements de 60m²)
Compte tenu de la densité de l'air sec  1 m3 correspond à 1,25 kg soit une masse m de l'air contenu dans notre immeuble à l'intérieur de l'enveloppe de 15 600 x 1,25 = 19 500 kg

Si l'on souhaite assurer le renouvellement de cet air le matin pour des questions d'hygiène de vie alors que la température extérieure est de 0°C il faut fournir une quantité de chaleur pour réchauffer cet air à 20°C température courant dans nos appartements de

Q  = Vc_a(θ₁ – θ₂)=19 500 x 1 x 20= 390 000 kilojoules

Soit puisque 1 kWh = 3,6 10³ kilojoules    Q = 110 kWh

Cas du béton

Nos quelques 2000 m² de murs en béton de 20cm d’épaisseur entraîne un volume de béton total de 400 m3  soit avec une masse correspondante m de  400 x 2,4 = 960 tonnes

L'inertie thermique du béton étant de 0,84 kJ/kg  la quantité d'énergie stockée dans nos murs avec 20°C dans les appartements le béton à 10°C (voir figure 1 page 20 avec une isolation par l'extérieur bien faite) et avec une température extérieure de 0°C est de :

Q  = mc_b(θ₁ – θ₂)=960 000 x0,84 x 10= 8 128 000 kilojoules

Soit puisque 1 kWh = 3,6 10³ kilojoules    Q = 2240 kWh

En chutant d'une température de 5°C nos murs restituent une énergie égale à 1150 kWh