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Calculateur de chauffage de l'eau

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Comment chauffer l'eau ?Qu'est-ce que la capacité thermique massique ?Comment calculer l'énergie nécessaire pour chauffer l'eau ?Exemple : modification de la température de la glaceFAQ

Notre calculateur de chauffage de l'eau peut vous aider à déterminer la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d'un peu de H2O et à calculer le temps que cela prendra. Il prend en compte les capacités thermiques des trois états de la matière, et fonctionne donc également si vous souhaitez faire fondre de la glace ou bouillir de l'eau.

Si vous vous demandez quelle est la limite de température de l'eau, qu'est-ce la capacité thermique et quel est le rapport avec les BTU (British Thermal Unit) de votre chauffe-eau, lisez la suite !

Comment chauffer l'eau ?

Cette question peut paraître très banale, mais l'est-elle vraiment ? Oui et non. Il semble évident de penser à une bouilloire, un poêle, une chaudière ou un autre appareil : ils ne sont que des outils que nous utilisons pour changer la température plus facilement.

Pour chauffer de l'eau, vous devez… eh bien, ajouter de la chaleur, qui est l'une des formes d'énergie. Ce faisant, vous augmentez l'énergie cinétique moyenne des molécules et donc la température, qui est directement proportionnelle, comme le stipule la théorie cinétique. Il existe trois types de transfert de chaleur.

  • La conduction se produit lorsque deux objets sont en contact. Il y a un flux de chaleur de l'objet chaud vers l'objet plus froid via l'agitation des molécules (collision des particules à grande vitesse avec les particules plus lentes). Certaines substances sont de meilleurs conducteurs que d'autres, c'est pourquoi nous nous intéressons généralement à la conductivité thermique du matériau. Un exemple de ce type de transfert serait une casserole sur une plaque de cuisson ou le fait de tenir un glaçon dans votre main.

  • La convection s'applique aux fluides (y compris l'air !). Lorsque la température du liquide augmente, il devient moins dense et s'élève. Dans le même temps, ses homologues plus froids vont se déplacer vers le bas, créant des courants de convection. Il s'agit de mouvements circulaires qui permettent de propager la chaleur dans toute la substance. Cela explique, par exemple, pourquoi l'eau de l'océan est plus chaude à la surface que si vous nagez en profondeur.

  • Le rayonnement, lui, n'a pas besoin de molécules puisqu'il se produit par le biais d'ondes électromagnétiques. Cela signifie qu'aucun support ni contact physique n'est nécessaire. Tous les objets émettent et absorbent des rayonnements, certains plus que d'autres. La loi de Stefan-Boltzmann nous indique la puissance rayonnée par un corps à une certaine température. C'est ainsi que la Terre reçoit la chaleur du Soleil.

Toutes ces méthodes de transfert de chaleur s'appliquent à notre cas, mais il est peu probable que vous décidiez le rayonnement dans votre vie quotidienne. Néanmoins, la méthode n'a pas d'incidence sur la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température, de sorte que notre calculateur de chauffage de l'eau vous aidera même dans un contexte plus inhabituel.

Qu'est-ce que la capacité thermique massique ?

Parler de chaleur peut prêter à confusion. Il y a quelques termes qui se ressemblent, mais qui ont des significations complètement différentes. Cependant, ils sont tous essentiels pour comprendre comment calculer l'énergie nécessaire pour chauffer de l'eau.

  • La chaleur, comme nous l'avons mentionné, est l'une des formes d'énergie qui est transférée en raison des différences de température. C'est pourquoi son unité de mesure est généralement le joule (J).

  • La capacité thermique massique est une propriété du matériau définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'un kilogramme d'une substance de 1 kelvin (ou Celsius, puisque l'échelle est la même en termes d'incréments : une augmentation de 1 K est égale à une augmentation de 1 °C). Ses unités sont donc J⋅kg-⁠1⋅K-⁠1 ou J⋅kg-⁠1⋅°C-⁠1. La British thermal unit (BTU) est définie de manière similaire, mais parle de l'augmentation de la température d'une livre de H2O d'un degré Fahrenheit. J'espère que vous comprenez maintenant le lien entre le BTU du chauffe-eau et cette notion !

  • L'enthalpie de changement d'état, au contraire, ne fait pas référence à un changement de température, mais à une phase. Il s'agit de la quantité de chaleur nécessaire pour transformer, par exemple, un liquide d'une certaine masse en un gaz : vous pouvez penser à ce qui arrive à l'eau à 100 °C lorsqu'elle devient de la vapeur. Dans ce cas, l'unité est le J⋅kg-1 (aussi notée, J/kg).

Bien qu'elle soit prise en compte sporadiquement, il est utile de savoir que la valeur de l'enthalpie de changement d'état varie en fonction de la pression, tandis que la capacité thermique massique varie en fonction de la température. Le calculateur de chauffage de l'eau utilise les valeurs les plus courantes de ces constantes.

🔎 Pour mieux comprendre les différences entre ces deux quantités, consultez notre calculateur d'enthalpie de changement d'état 🇺🇸 et notre calculateur de capacité thermique massique.

Comment calculer l'énergie nécessaire pour chauffer l'eau ?

La quantité d'énergie dont vous aurez besoin pour modifier la température de l'eau dépend de son état initial et de son état final. En général, vous devez tenir compte de deux quantités :

  1. La chaleur nécessaire pour augmenter la température, QtQ_t :
Qt=cm(TfTi)Q_\mathrm{t} = c m (T_\mathrm{f} - T_\mathrm{i})

où :

  • cc – la capacité thermique massique
  • mm – la masse
  • TfT_f – la température finale
  • TiT_i – la température initiale

🙋 Vous pouvez utiliser le convertisseur de volume en masse 🇺🇸 au lieu d'une balance si vous n'avez, par exemple, qu'un verre mesureur.

Cette quantité est également appelée chaleur sensible 🇺🇸.

  1. La chaleur nécessaire pour changer de phase, QpQ_\mathrm{p} :
Qp=LmQ_\mathrm{p} = Lm

où :

  • LL – l'enthalpie de changement d'état

Si l'on passe de la glace à l'eau, on considère l'enthalpie de fusion, alors que pour le changement de phase d'un liquide en vapeur, il s'agit de l'enthalpie de vaporisation.

Enfin, il vous suffit de résumer toutes les valeurs de chaleur pour calculer l'énergie nécessaire pour chauffer H2O. Pour une seule phase, vous n'aurez qu'un seul chiffre, mais dans le cas contraire, il y en aura plusieurs. Heureusement, notre calculateur de chauffage de l'eau s'en charge pour vous !

Si vous connaissez l'efficacité énergétique et la puissance du chauffe-eau, vous pouvez également calculer le temps nécessaire pour atteindre la température finale. La formule est la suivante :

temps=Qtotaleefficaciteˊeˊnergeˊtique×puissance\small \text{temps} = \frac{Q_{\text{totale}}}{\begin{gather*}\text{efficacité} \\[-0.4em]\text{énergétique} \end{gather*} \times \text{puissance}}

où :

  • QtotaleQ_{\text{totale}} – l'énergie totale trouvée précédemment

Si vous pouvez mesurer l'énergie d'entrée et de sortie, le calculateur d'efficacité énergétique 🇺🇸 peut également vous aider.

Exemple : modification de la température de la glace

De quelle quantité d'énergie auriez-vous besoin pour obtenir de l'eau suffisamment chaude pour préparer du thé à partir d'un bloc de glace de 1 kg dont la température initiale est de -10 °C (263,15 K) ? Nous pouvons diviser cette question en plusieurs étapes :

  1. Calculez la chaleur nécessaire pour élever la température de la glace jusqu'à 0 °C.

    Qglace=1 kg×10 K×2108 J ⁣ ⁣kg1 ⁣ ⁣K1=21080 JQ_{\text{glace}} = 1 \ \text{kg} \times 10 \ \text{K} \times 2\,108 \ \mathrm{J \!\cdot\! kg^{-1} \!\cdot \!K^{-1}} = 21\,080 \ \text{J}

  2. Trouvez la quantité de chaleur nécessaire pour convertir la glace en eau :

    Qglaceeau=1 kg×334000 J ⁣ ⁣kg1=334000 JQ_{\text{glace} \to \text{eau}} = 1 \ \text{kg} \times 334\,000 \ \mathrm{J \!\cdot\! kg^{-1} } = 334\,000 \ \text{J}

  3. Déterminez la quantité d'énergie nécessaire pour chauffer l'eau. Supposons que la température idéale soit de 96 °C (369,15 K) :

    Qeau=1 kg×96 K×4190 J ⁣ ⁣kg1 ⁣ ⁣K1=402240 JQ_{\text{eau}} = 1 \ \text{kg} \times 96 \ \text{K} \times 4\,190 \ \mathrm{J \!\cdot\! kg^{-1} \!\cdot \!K^{-1}} = 402\,240 \ \text{J}

  4. Additionnez toutes les valeurs pour obtenir l'énergie totale nécessaire :

    Qtotale=21080+334000+402240=757320 JQ_{\text{totale}} = 21\,080 + 334\,000 + 402\,240 = 757\,320 \ \text{J}

  5. Une bouilloire moyenne a une puissance de 1 800 watts (W). En supposant une efficacité énergétique de 90 %, nous obtenons :

    temps=757320 J0,9×1800 W=467, ⁣48 s7 min\text{temps} = \frac{757\,320 \ \text{J}}{0,9 \times 1\,800 \ \text{W}} = 467,\!48 \ \text{s} \approx 7 \ \text{min}

Comme vous l'avez sans doute remarqué, ce calcul peut être un peu laborieux et prendre presque autant de temps que de faire fondre un bloc de glace. Il est peut-être plus judicieux d'utiliser le calculateur de chauffage de l'eau et de se mettre au travail tout de suite !

FAQ

Quelle est la capacité thermique massique de l'eau ?

La capacité thermique massique de l'eau est de 4 190 J⋅kg-1⋅°C-1. Cela signifie qu'il faut 4 190 J pour augmenter la température de 1 kg d'eau de 1 °C.

L'eau a-t-elle une capacité thermique massique élevée ?

Oui, l'eau a une capacité thermique massique élevée en raison de la liaison hydrogène entre les molécules. Lorsque la température augmente, les particules bougent plus librement. Pour ce faire, les liaisons hydrogène doivent être rompues, ce qui nécessite l'absorption d'une grande quantité d'énergie (chaleur).

Quelle est l'enthalpie de fusion de l'eau ?

L'enthalpie de fusion de l'eau est de 334 000 J⋅kg-1. Il faut donc 334 J d'énergie pour faire fondre 1 g de glace à 0 °C.

Quelle est l'enthalpie de vaporisation de l'eau ?

L'enthalpie de vaporisation de l'eau est de 2 264 705 J⋅kg-1. C'est la quantité de chaleur nécessaire pour transformer 1 kg d'un liquide en vapeur, sans augmentation de la température de l'eau.

Quelle est la capacité thermique de la glace ?

La capacité thermique de la glace est de 2 108 J⋅kg-1⋅°C-1. Par conséquent, vous devez introduire 2 108 J pour chauffer 1 kg de glace de 1 °C.

Quelle est la capacité thermique massique de la vapeur ?

La vapeur est l'état de l'eau dont la capacité thermique massique est la plus faible, à savoir 1 996 J⋅kg-1⋅°C-1. Cela signifie que pour chauffer 1 kg de vapeur de 1 °C, il faut 1 996 J de chaleur.

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