Capacité thermique - Définition

La capacité thermique (ou capacité calorifique) d'un corps est une grandeur permettant de quantifier la possibilité qu'a un corps d'absorber ou restituer de l'énergie par échange thermique au cours d'une transformation pendant laquelle sa température varie.

Signification physique

Toute chose étant égale par ailleurs, plus la capacité thermique d'un corps est grande, plus grande sera la quantité d'énergie échangée au cours d'une transformation s'accompagnant d'une variation de la température de ce corps. La capacité thermique est la donnée de l'énergie qu'il faut apporter à un corps pour augmenter sa température de un Kelvin. Elle s'exprime en Joule. C'est une grandeur extensive : plus la quantité de matière est importante plus la capacité thermique est grande.

On peut déduire de la capacité thermique d'un corps de masse m et de quantité de matière n, deux grandeurs associées intensives :

• La capacité thermique massique  : rapportée à un kilogramme du corps considéré,
• La capacité thermique molaire  : rapportée à une mole du corps considéré.

Histoire

Avant le développement de la thermodynamique moderne, on pensait que la chaleur était un fluide (vison dite substantialiste) : le fluide calorique. Les corps étaient donc susceptibles de contenir une certaine quantité de ce fluide d'où l'appellation capacité calorifique. Pour des raisons historiques, la calorie^[1] était définie comme la " chaleur " nécessaire pour élever de 15 °C à 16 °C la température d'un gramme d'eau, d'où le nom de capacité calorifique.

Aujourd'hui, on considère que l'énergie interne des systèmes est constituée des énergies cinétique et potentielle microscopiques. La chaleur n'est plus un fluide ni une énergie en soi, c'est un mode de transfert d'énergie : un transfert microscopique et désordonné.

La capacité calorifique, est désormais désormais appelée capacité thermique.

Capacité thermique molaire à volume constant

On appelle capacité calorifique molaire à volume constant , le rapport de la quantité d'énergie transmise par chaleur nécessaire pour faire monter la température d'une mole de corps pur d'une petite quantité par cette petite quantité soit :

en J/K/mol

Il convient toujours de préciser que lors d'une petite variation d'un état à un autre état voisin , il y a un autre coefficient très important, appelé coefficient calorifique de chaleur latente de dilatation :

, en Pascal (valant formule de Clapeyron):

L'énergie thermique échangée au cours d'une transformation est donc :

où n'est qu'une forme différentielle et non pas la différentielle d'une fonction d'état. D'après le premier principe de la thermodynamique, δQ = dU − δW, où δW est le travail mis en jeu dans la transformation et U la fonction énergie interne. On retrouve donc sous une forme mathématique le fait qu'il n'existe pas de "chaleur" de la tasse à café chaude, malgré tout ce que peut véhiculer le langage ordinaire. Toutefois si seules les forces de pression sont susceptibles de travailler, δW = − p_e.dV, et on obtient dans le cas d'une transformation à volume constant δW = 0, d'où la définition plus précise de la capacité thermique isochore d'un corps pur monophasé :

Capacité calorifique molaire à pression constante

C'est le même raisonnement mais en gardant cette fois la pression constante. Pratiquement c'est aussi plus facile à mesurer.

On introduit alors un coefficient de chaleur latente de compression  :

, avec , formule de Clapeyron

Plus précisément la capacité thermique isobare d'un corps pur monophasé est définie à partir de son enthalpie H = U + p.V :

Relation de Mayer

et sont liés entre eux et aux coefficients thermoélastiques par la relation de Mayer.

Variation avec la température pour un gaz parfait

ne peut pas dépendre de , car un gaz parfait est un gaz de Joule. Il reste à déterminer la variation avec la température :

• Pour un gaz parfait monoatomique (GPM), on considère que . Bien sûr, aucun corps pur ne peut être GPM à basse température : il finit par se liquéfier.
• Pour un gaz parfait diatomique (GPD), on considère que dans une plage de température comprise entre , l'on a .