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Capacité thermique spécifique (Cp)
La capacité thermique spécifique (Cp) souvent appelée chaleur spécifique, est une propriété thermophysique fondamentale d’une substance.
Elle indique la capacité de la substance à stocker l’énergie thermique et équivaut à la quantité de chaleur qu’il faut ajouter à un gramme de la substance pour augmenter sa température d’un Kelvin.
Ce processus ne doit pas aboutir à une transition de phase du premier ordre (par exemple, la fusion), car, dans ce cas, le Cp peut être infiniment grand et ne peut donc pas être mesuré.
L’unité SI de la capacité thermique spécifique est le nombre de joules par gramme et par Kelvin [J/g*K)].
En général, la capacité thermique spécifique peut être différenciée comme isobare (Cp à pression constante) et isochore (CV, à volume constant) sur la base de l’apport de chaleur.
Alors qu’à volume constant, la quantité de chaleur est entièrement utilisée pour augmenter la température, à pression constante, une partie de la chaleur est nécessaire pour le changement de volume.
Il faut en tenir compte lors de la mesure des gaz et des vapeurs.
Si la valeur de Cp est élevée, une certaine quantité de chaleur n’entraîne qu’une légère augmentation de la température ; si la valeur est faible, la même quantité de chaleur peut entraîner une plus grande augmentation de la température.
La capacité thermique spécifique des solides et des liquides se situe entre 0,1 et 5 J/g*K.
substance | aluminum | glass | chocolate | cement | water (20 °C) | PET (crystalline, 20°C) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Cp in [J/g*K] | 0,896 | 0,6 bis 0,8 | 3,140 | 0,754 | 4,187 | 1,510 |
Tabelle 1 : Valeurs Cp de quelques matériaux (Chemie.de)
En tant que propriété importante des matériaux, le Cp est mentionné dans des tableaux et les fiches techniques ; il est utilisé pour calculer les quantités thermodynamiques comme l’enthalpie et l’entropie.
Il permet également d’évaluer des matériaux et leurs applications dans diverses industries.
Détermination de la capacité thermique spécifique par DSC
En tant que grandeur thermodynamique, le Cp peut se mesurer par la calorimétrie différentielle à balayage (DSC).
À cette fin, l’échantillon et un matériau de référence sont soumis à un programme de température dynamique dans un four DSC.
La différence de température qui se développe entre l’échantillon et la référence est attribuée à un flux de chaleur après un étalonnage approprié.
Différentes méthodes de mesure sont disponibles.
Avec la méthode directe, le Cp peut être calculé directement à partir du flux de chaleur divisé par la vitesse de chauffage et la masse de l’échantillon.
Le processus est rapide, mais pas très précis.
C’est pourquoi la méthode du saphir, plus précise, est devenue la norme, conformément aux normes DIN 51007 et ASTM E 1269..
Méthode du saphir
Il s’agit d’une méthode comparative. Trois mesures sont effectuées dans des conditions identiques.
- La première mesure est effectuée avec deux creusets vides pour déterminer la courbe à blanc.
- Dans la deuxième étape, un disque de saphir (oxyde d’aluminium, phase α) dont la masse et la capacité thermique spécifique sont connues est analysé comme référence ; le deuxième creuset reste vide.
- Pour la troisième mesure, le disque de saphir est remplacé par l’échantillon dont le Cp est inconnu et le programme est exécuté à nouveau.
- La courbe de capacité thermique spécifique de l’échantillon peut alors être déterminée en fonction de la température à l’aide des trois courbes de mesure selon l’équation suivante :
Où ?
- Cp,p : capacité thermique spécifique de l’échantillon
- Cp,sap : capacité thermique spécifique de la référence saphir
- θp : flux de chaleur de l’échantillon
- θ0 : flux thermique de la courbe à blanc
- θsap : flux de chaleur de la référence saphir
- msap : masse de la référence saphir
- mp : masse de l’échantillon
Prise en compte des erreurs lors de la mesure du Cp
Lors du calcul de Cp, veillez à utiliser les mêmes creusets pour les trois mesures.
Si cela n’est pas possible, les masses et le Cp des creusets doivent être connus.
Ces incertitudes doivent être prises en compte lors de l’examen des erreurs.
Il convient également de noter que la sensibilité de la mesure diminue avec l’augmentation de la température.
Le flux thermique mesuré (signal DSC) de l’échantillon est également sujet à des erreurs.
Celui-ci est affecté par la résistance thermique entre le capteur et l’échantillon et est toujours inférieure au flux thermique réel.
Cette erreur est accrue par un gradient de température prononcé dans le matériau pendant le chauffage.
Des vitesses de chauffe excessives, des masses d’échantillon et des capacités thermiques importantes ainsi qu’un mauvais contact thermique entre l’échantillon, le creuset et le capteur peuvent avoir un effet particulièrement négatif.
En outre, il convient de s’assurer que la conductivité thermique et la capacité thermique spécifique de la référence et de l’échantillon sont comparbles afin que les mêmes flux de chaleur puissent en résulter.
DSC à modulation de température
Si des effets reversibles et non-reversibles se produisent en même temps au cours d’une mesure DSC conventionnelle, un chevauchement se produit dans le signal DSC, empêchant une évaluation claire des résultats.
La solution consiste à utiliser un DSC à modulation de température, qui permet de séparer les effets superposés les uns des autres.
La vitesse de chauffage est superposée à une modulation sinusoïdale de la température.
Il en résulte un contrôle de la température en deux parties : une partie linéaire ou constante qui interfère avec une partie non linéaire avec des changements de température relativement rapides.
La procédure correspond à la norme ASTM E2716 09.
L’avantage de cette mesure à modulation de température est qu’elle permet d’obtenir des précisions allant jusqu’à 1 %, même à des températures élevées.
La détermination de la capacité thermique spécifique nécessite une série d’essais prenand du temps.
Cela vaut la peine si la Cp doit être mesurée proche de processus cinétiques tels que les réactions chimiques, la cristallisation ou l’évaporation.
En outre, un logiciel d’évaluation spécifique est nécessaire.
Influence du matériau du creuset
Pour les mesures DSC, assurez-vous que le creuset et l’échantillon sont compatibles.
L’utilisation d’un couvercle du creuset peut également influencer les mesures.
