Question :
Comment l’énergie nécessaire pour augmenter d’un degré Celsius la température de 10 grammes d’eau se compare-t-elle avec l’énergie nécessaire pour augmenter d’un degré Celsius la température de 100 grammes d’eau? Cette question est en rapport avec la capacité thermique massique. Merci.
Réponse :
Cette question est du domaine de la thermodynamique :
Tout d’abord, la capacité thermique massique (ou plus communément la chaleur massique) d’une matière est une mesure de la quantité de « chaleur » qu’il faut fournir à une unité de masse pour élever sa température d’un degré. Lorsque la taille de l’échantillon est multipliée par dix (p. ex. de 10 à 100), on comprend intuitivement que la chaleur requise nécessaire augmentera aussi, ce qui est le cas! Pour garder les choses aussi simples que possible, nous supposons que les deux échantillons sont initialement à 20 degrés et à la même pression. Ceci permet d’éliminer des différences entre les conditions ambiantes où se trouvent les deux échantillons et de minimiser la complexité du problème. De cette façon, la réponse et l’analyse peuvent porter sur la description du changement qui est important pour l’expérience, à savoir la variation de la masse. Dans ce cas, nous pouvons utiliser la formule suivante :
Q (quantité de chaleur à fournir) = m (masse) x dT (différence de température) x c (constante de chaleur massique)
La constante de chaleur massique « c » est exprimée en J/(g.K). Le joule « J » représente une unité servant à quantifier l’énergie, « g » représente la masse en grammes et « K » représente la température en degré kelvin. Comme votre question utilise les degrés Celsius, il convient de noter qu’un changement de 1 K est égal à un changement d’un degré Celsius.
Dans le cas présent, le changement de température et la constante de chaleur massique sont les mêmes, donc, après simplification il ne reste qu’un changement de masse. Comme la masse de l’échantillon est multipliée par 10, la quantité de « chaleur » nécessaire sera aussi multipliée par 10. Mathématiquement, cela donne le rapport suivant :
Q(échantillon 2 )/ Q(échantillon 1) =
[m (échantillon 2) x dT(échantillon 2) x c] / [m (échantillon 1) x dT(échantillon1) x c]
Comme dT(échantillon 2) et dT(échantillon1) sont égaux (dans ce cas égal à 1) et que « c » est commun aux deux, ils peuvent être simplifiés au numérateur et au dénominateur, il reste donc :
Q2/Q1 = m2/m1 = 100/10 = 10
* Si l’expérience était modifiée de telle sorte que les échantillons soient soumis à des conditions différentes (comme des pressions ou des températures différentes ou encore des températures qui pourraient entraîner un changement de phase de l’un des échantillons) cela changerait la réponse finale. *
La récupération de la chaleur et les technologies de pointe
Les participants à l’atelier Solutions intégrées supérieures en matière d’efficacité énergétique de la conférence Énergie 2011 ont assisté à des présentations portant sur des technologies de pointe en cours d’élaboration dans les domaines de la récupération de la chaleur et de l’optimisation des chaudières. Des représentants de CanmetÉNERGIE (centres de recherche d’Ottawa et de Varennes) ainsi que Cameron Veitch, de ConDex Systems, ont discuté des économies d’énergie qui pourraient découler de la mise en œuvre de ces technologies avancées.
« Les technologies de récupération d’énergie liées aux brûleurs pour les chaudières industrielles qui sont actuellement mises au point par CanmetÉNERGIE laissent entrevoir des possibilités considérables sur le plan de l’économie d’énergie et de la réduction des émissions », a expliqué le chercheur scientifique Peter Gogolek. Des études de cas ont révélé que des brûleurs à récupération intégrale – la technologie la plus simple pour les brûleurs – peuvent aider les entreprises à réduire leurs coûts de l’énergie d’environ 40 % grâce à la récupération et au captage des pertes dues à la dilution. Il est également possible de réaliser d’importantes économies de combustible en équipant les tubes radiants d’un brûleur à récupération autonome.
La récupération de la chaleur et les technologies de pointe