🔢 Calcul de la quantité d’Energie nécessaire à l’augmentation de chaleur d’une masse
Chaque matériau à la capacité d’emmagasiner de l’énergie sous forme de chaleur et de la restituer. Cette propriété est très importante dans la conception bioclimatique.
Cette page reprend en détails le calcul que j’ai fait dans l’article :
💶 Combien ça coûte de faire bouillir 1 Litre d’eau avec une bouilloire électrique ? ⚡
Je reprends pas à pas toutes les notions physiques et mathématiques pour arriver à mon calcul théorique et je le généralise à tout matériau. Par exemple, pour la construction d’un poêle de masse, il est intéressant de savoir quelle quantité d’énergie est stockée dans la masse.
Capacité Thermique Massique
La Capacité Thermique Massique est la propriété intrinsèque d’un matériau à emmagasiner de l’énergie sous forme de chaleur dans sa masse.
Quelques valeurs de Capacité Thermique Massique
Pour la conception bioclimatique et la permaculture pratique, nous considérons que les valeurs données sont fixes car nous restons dans des conditions normales de température et de pression.
Les valeurs ci dessous proviennent de Wikipédia
Nous pouvons remarquer qu’avec une valeur de 4185 J.K-1.kg-1, l’eau sous forme liquide a une grande capacité thermique. C’est le matériau courant, donc financièrement abordable, qui a de loin la meilleur capacité thermique massique.
Unités des mesure
J pour Joule, cette unité mesure la quantité d’énergie.
K pour Kelvin, cette unité mesure la température.
kg pour kilogramme, cette unité mesure la masse.
Cv pour Capacité Thermique Massique à volume constant
Il faut comprendre dans le cas de l’eau Cv= 4185 J.K-1.kg-1 :
- Il faut apporter une énergie de 4185 Joules pour augmenter d’1 Kelvin la masse de 1 kilogramme d’eau.
- 1 kilogramme d’eau stocke 4185 Joules d’énergies par degré Kelvin.
- 1 kilogramme d’eau qui a baissé de 1 Kelvin a libéré 4185 Joules.
Le Kelvin est une échelle parallèle au degré Celsius mais qui a la particularité d’être toujours positif. La température la plus froide physique possible est de 0 Kelvin, soit -273,15°C.
Quand la température augmente d’1 Kelvin, elle augmente d’1 degré Celsius
Pour facilité la compréhension des mesures d’énergie dans l’habitat, nous utilisons le Wattheure (Wh). La relation entre Joule et Wattheure est la suivante:
4 185 Joules = 1,1625 WattHeure
donc la capacité thermique de l’eau devient Cv= 1,1625 Wh.K-1.kg-1.
Un outil de conversion des mesures est disponible ici pour les autres matériaux.
Calcul de la quantité d’énergie nécessaire à l’élévation de la température d’une masse
Soit QE la quantité d’énergie en Wh nécessaire à l’élévation de T1°C à T2°C d’une masse de m kg d’un matériau de capacité thermique massique Cv en Wh.K-1.kg-1 .
QE = Cv x (T2 – T1) x m
Exemple d’une bouilloire qui fait bouillir de 1 litre d’eau (soit 1kg d’eau) de 20°C à 100°C
QE = 1,1625 x (100 -20) x 1 = 93 Wh
La bouilloire aura besoin de 93 Wh d’électricité pour faire bouillir le litre d’eau en théorie. En pratique la valeur sera légèrement supérieure car il faudra aussi de l’énergie pour chauffer la résistance et le corps de la bouilloire qui eux aussi ont une capacité thermique !
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Je me demande si la performance d’une casserole avec 1l d’eau à bouillir sur une cuisinière électrique serait différente du bouilloire? (étant donné que le bouilloire a une sorte d’isolation, non?
Bonjour Peter et merci pour cette question pertinente,
Il y a une partie de l’énergie utilisée qui sert à chauffer le litre d’eau (93Wh). Cette valeur sera toujours vraie quelque soit le combustible ou le récipient tant que le delta de température passe de 20C à 100°C.
Il y a une partie de l’énergie complémentaire qui servira à chauffer le corps du récipient ainsi que l’environnement de ce récipient.
Dans les 2 expériences que je mène:
Expérience de la Bouilloire
Expérience du brûleur Gaz
Nous avons 2 valeurs différentes d’énergies utilisées, 109Wh pour la bouilloire électrique et 139Wh pour le brûleur gaz.
Le rendement de la bouilloire électrique est bien meilleur que celui du brûleur gaz alors que la bouilloire et la casserole, toutes deux en inox ont environ la même masse donc environ la même capacité thermique donc ont environ nécessité la même quantité d’énergie pour être échauffées en même temps que l’eau.
La différence vient sûrement des pertes d’énergie dans l’environnement.
Nous l’observons facilement avec un brûleur gaz, la flamme ne se concentre pas sur la casserole, mais chauffe aussi l’air ambiant qui circule par convection. L’air chaud monte emmenant avec lui les précieux Wh.
La CONVECTION est 1 des 3 modes de propagation de la chaleur.
Le 2eme mode de propagation est la CONDUCTION, c’est la propagation au travers d’un matériau. Un matériau isolant aura une faible conduction.
Le 3eme mode de propagation est le RAYONNEMENT, c’est la façon qu’a le soleil de nous chauffer autant, alors qu’il est à 150 millions de kilomètres de nous!
Je prépare un article sur ces 3 modes de propagations de la chaleur qui sont une base essentielle pour comprendre le bioclimatisme.
La solution que tu proposes, en ayant une bouilloire isolée, est de limiter les pertes par conduction. Ce genre de bouilloire a une double peau en inox avec un vide d’aire entre les 2 peaux assurant une isolation. Ces bouilloires sont plus chères car il faut 2 fois plus de matière que les bouilloires comme la mienne en simple peau.
Cela n’empêchera pas qu’il faille quand même chauffer la première peau de la bouilloire au contact de l’eau. L’avantage est que la bouilloire isolée gardera plus longtemps ton eau chaude.
Le gain en matière de chauffe sera faible, le temps de chauffe étant relativement court comparé à la vitesse de perte de chaleur au travers de la paroi.
Pour répondre à ta première question « Je me demande si la performance d’une casserole avec 1l d’eau à bouillir sur une cuisinière électrique serait différente d’une bouilloire? »
Il faudrait faire l’expérience sur une cuisinière électrique ou une plaque induction ou une plaque vitro céramique avec la casserole qui est de même matière et environ de même masse que la bouilloire, toutes les 2 en simple peau.
et pour aller plus loin:
il faudrait faire l’expérience avec une bouilloire isolante double peau !
Merci Peter pour ton partage
Merci pour tous ces détails