Mesure de la chaleur spécifique

La capacité thermique est une propriété physique intrinsèque qui détermine le niveau de chaleur nécessaire pour modifier la température d'une substance d'une quantité prédéfinie. La chaleur spécifique fait référence au rapport entre la capacité thermique d'un matériau et sa masse, qui régit la quantité d'énergie nécessaire pour élever la température d'un gramme d'un degré Celsius (ou Kelvin). Cette grandeur physique est utile pour différents objectifs, par exemple pour optimiser des procédés techniques ou évaluer les risques thermiques. Généralement, la chaleur spécifique est mesurée en joules par gramme-kelvin, ou J/gK.

Pour calculer la capacité thermique d'un matériau, on utilise l'équation suivante :

c_p  =  q / (m  ∙ ∆ T)

Où c_p  =  chaleur spécifique, m = masse en grammes, q  =   énergie perdue ou produite, et ∆T = changement de température

Aperçu des thèmes :

• Chaleur spécifique en fonction de la température
• Valeurs calorifiques spécifiques des substances courantes
• Analyseur calorimétrique différentiel (DSC)
• Normes
• Logiciel STARe : six méthodes pour déterminer la chaleur spécifique
• Ajustement et étalonnage
• Conseils et astuces
• FAQ

La chaleur spécifique d'une substance est en fonction de la température. Comme indiqué sur le diagramme, la chaleur spécifique du saphir augmente avec la température, ce qui est typique pour la plupart des substances. L'eau a une chaleur spécifique exceptionnellement élevée d'environ 4 J/gK et présente un comportement anormal avec une chaleur spécifique minimale d'environ 35 °C.

Pour en savoir plus, participez à notre web-séminaire sur la détermination de la chaleur spécifique par DSC :

Différentes substances réagissent à la chaleur de diverses manières. Parmi les exemples courants concrets, citons des objets métalliques exposés à la lumière directe du soleil, ainsi qu'une quantité égale d'eau dans les mêmes conditions. Le métal devient rapidement très chaud, tandis que l'eau, non. En d'autres termes, l'eau présente une grande capacité thermique.

Les valeurs pour les solides et les liquides varient entre 0,1 et 5 J/gK. La chaleur spécifique de la plupart des substances augmente avec la hausse de la température. La mesure est donc souvent effectuée sur une plage de température relativement vaste. Le tableau ci-dessous répertorie quelques exemples à 25 °C.

Une explication détaillée de la chaleur spécifique est disponible dans notre manuel « L'analyse thermique en pratique ».

L'analyse calorimétrique différentielle (DSC) est une technique de mesure polyvalente mise en œuvre dans de nombreux laboratoires d'analyse, de contrôle qualité et de R&D. Elle permet de mesurer le flux de chaleur produit dans un échantillon lorsque celui-ci est chauffé, refroidi ou maintenu à température constante des conditions isothermes.

Cette méthode populaire permet de déterminer la chaleur spécifique en raison de sa facilité d'utilisation, des temps de mesure courts et d'une précision pouvant atteindre ± 2 % (selon la méthode utilisée ; voir la section suivante).

En règle générale, un analyseur calorimétrique différentiel conventionnel prend en charge des mesures allant jusqu'à 700 °C. Cependant, il est aussi possible d'obtenir d'excellents résultats au-dessus de 700 °C à l'aide d'un instrument TGA/DSC de METTLER TOLEDO.

Dans cet exemple réalisé pour le polystyrène, la courbe de flux de chaleur est directement proportionnelle à la chaleur spécifique sur la plage de température mesurée.

Une norme est utilisée comme une base de comparaison qui est à la fois largement reconnue et largement appliquée. Les processus de production ou de test peuvent ainsi être comparés de manière identique aux autres procédures, ce qui garantit la fiabilité des résultats de test. Les normes peuvent (si disponibles) remplacer la validation des méthodes d'analyse, qui est nécessaire dans le cadre des processus d'assurance qualité, d'accréditation ou d'approbation. À l'heure actuelle, la normalisation dans l'analyse thermique est assurée par de nombreuses organisations internationales et nationales, notamment ISO, ASTM, DIN et CEN. La méthode DSC permet de calculer la chaleur spécifique à partir de la courbe de flux de chaleur. Les résultats sont évalués en fonction de normes telles qu'ISO 11357-1, ISO 11357-4, DIN 53765, DIN 51007-1 ou ASTM E1269.

Plusieurs méthodes différentes permettent de déterminer la chaleur spécifique à partir de la courbe de flux de chaleur DSC. Le logiciel STAR^e de METTLER TOLEDO prend en charge les méthodes suivantes :

Les méthodes dites directe et au saphir sont réalisées à l'aide d'un instrument DSC classique et d'un programme de température linéaire. Avec cet instrument, un seul signal de flux de chaleur (total) est émis. La capacité thermique, cependant, inclut deux composantes : la capacité thermique sensible (flux de chaleur réversible) et la capacité thermique latente (flux de chaleur irréversible) :

c_p = c_{p, sensible} + c_{p, latente}

La capacité thermique latente est liée à des transitions physiques ou chimiques telles que la fusion, la cristallisation ou les réactions chimiques. Ces événements thermiques sont représentés sur une courbe DSC par des pics endothermiques ou exothermiques. Par conséquent, la capacité thermique latente est positive pour les événements endothermiques, et négative pour les événements exothermiques.

La capacité thermique sensible est liée à la quantité de chaleur absorbée en raison des réarrangements et du mouvement général des molécules. Elle est positive. La courbe DSC du diagramme montre que la capacité thermique sensible est directement liée au flux de chaleur mesuré, à condition qu'aucun événement thermique ne se produise. Dans de nombreuses transitions, cette capacité définit la ligne de base du pic correspondant.

La technique DSC à modulation de température (TMDSC) diffère de la méthode DSC classique, car elle permet de séparer le flux de chaleur total en composantes réversibles et irréversibles. Il s'agit d'un aspect important pour fournir des données précises de capacité thermique en cas d'effets thermiques superposés, tels que la transition vitreuse (composante de flux de chaleur réversible) et la relaxation enthalpique (composante de flux de chaleur irréversible).

Les programmes de température utilisés dans la technique DSC à modulation de température sont plus complexes que ceux utilisés pour les analyses DSC classiques. METTLER TOLEDO propose trois techniques distinctes pour effectuer des mesures DSC à modulation de température : Leurs principales caractéristiques sont décrites ci-dessous.

Il est essentiel d'étalonner (vérifier) la température dans la plage de mesure utilisable, car la chaleur spécifique en dépend. Si nécessaire, des ajustements doivent être effectués. Avec la méthode DSC, les causes les plus importantes de non-reproductibilité sont le transfert de chaleur entre le capteur et le creuset, et entre le creuset et l'échantillon. La dérive isotherme qui en résulte peut être corrigée en appliquant la méthode proposée dans la norme DIN 51007.

Il est possible d'obtenir des données précises sur la capacité thermique lorsque la méthode DSC est correctement ajustée à l'aide des substances de référence certifiées, telles que LGC (Royaume-Uni), NIST (États-Unis) ou PTB (Allemagne). Si la méthode directe est utilisée, le flux de chaleur doit être correctement ajusté pour la plage de température et les creusets souhaités.

L'étalonnage des analyses thermiques et l'ajustement du flux de chaleur et de la température sont expliqués plus en détail dans les ressources suivantes de METTLER TOLEDO :

Avec la méthode DSC, il est difficile de mesurer des données quantitatives de bonne qualité pour la capacité thermique. Néanmoins, il s'agit d'une technique courante et utile en raison de la disponibilité des instruments DSC, de la préparation simple des échantillons, des temps de mesure relativement courts, de la bonne précision et de l'évaluation facile à l'aide de logiciels commerciaux.

Conseils et astuces pour obtenir des données de bonne qualité :

• Stabilisez l'instrument avant de procéder aux mesures.
• N'utilisez jamais la première mesure après avoir allumé l'instrument.
• Vérifiez la reproductibilité en répétant les mesures.
• Faites la moyenne des différentes mesures pour améliorer leur précision.
• Utilisez la soustraction de la courbe à blanc dans la méthode (sauf pour TOPEM).
• Placez les creusets avec précision sur le capteur.
• Utilisez les mêmes creusets pour réaliser les trois mesures. Si cela n'est pas possible, utilisez des creusets affichant une faible différence de masse, <10 µg, comme indiqué dans la norme ASTM.
• Pour les creusets présentant des différences plus importantes, utilisez la correction de masse du creuset.
• Recommandé : creuset de 40 µL ; masse de l'échantillon : entre 10 et 20 mg pour les matériaux organiques.
• Appliquez des vitesses de chauffe dans la plage entre 5 et 10 K/min.
• Pesez l'échantillon après la mesure. Une perte de masse importante réduit la fiabilité de vos données c_p. Cette perte est enregistrée automatiquement par un instrument TGA/DSC.
• Pour une meilleure précision, notamment lors de l'utilisation de méthodes non modulées :
  • Utilisez une masse d'échantillon plus importante, C_p (échantillon) » C_p (étalon)
  • Assurez-vous du bon contact thermique entre l'échantillon et le creuset