Calculateur de chauffage de l'eau

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 !

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.

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.

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, $Q_t$ :

où :

• $c$ – la capacité thermique massique
• $m$ – la masse
• $T_f$ – la température finale
• $T_i$ – la température initiale

Cette quantité est également appelée chaleur sensible 🇺🇸.

2. La chaleur nécessaire pour changer de phase, $Q_\mathrm{p}$ :

où :

• $L$ – 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 :

où :

• $Q_{\text{totale}}$ – 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.

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.

   $Q_{\text{glace}} = 1 \ \text{kg} \times 10 \ \text{K} \times 2\,108 \ \mathrm{J \!\cdot\! kg^{-1} \!\cdot \!K^{-1}} = 21\,080 \ \text{J}$

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

   $Q_{\text{glace} \to \text{eau}} = 1 \ \text{kg} \times 334\,000 \ \mathrm{J \!\cdot\! kg^{-1} } = 334\,000 \ \text{J}$

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

   $Q_{\text{eau}} = 1 \ \text{kg} \times 96 \ \text{K} \times 4\,190 \ \mathrm{J \!\cdot\! kg^{-1} \!\cdot \!K^{-1}} = 402\,240 \ \text{J}$

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

   $Q_{\text{totale}} = 21\,080 + 334\,000 + 402\,240 = 757\,320 \ \text{J}$

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

   $\text{temps} = \frac{757\,320 \ \text{J}}{0,9 \times 1\,800 \ \text{W}} = 467,\!48 \ \text{s} \approx 7 \ \text{min}$

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 !