Transitions de phase et échanges d'énergie - Interactions entre matière et énergie

• 1 Fusion : passage de l'état solide à l'état liquide
• 2 Solidification : passage de l'état liquide à l'état solide
• 3 Vaporisation : passage de l'état liquide à l'état gazeux
• 4 Condensation : passage de l'état gazeux à l'état liquide

• 1 Sublimation : passage direct de l'état solide à l'état gazeux
• 2 Condensation inverse : passage direct de l'état gazeux à l'état solide

• 1 Fusion : absorption d'énergie (endothermique)
• 2 Vaporisation : absorption d'énergie (endothermique)
• 3 Sublimation : absorption d'énergie (endothermique)

• 1 Solidification : libération d'énergie (exothermique)
• 2 Condensation : libération d'énergie (exothermique)
• 3 Condensation inverse : libération d'énergie (exothermique)

L'énergie latente est l'énergie absorbée ou libérée lors d'une transition de phase à température constante. Elle est proportionnelle à la masse de matière et à la chaleur latente spécifique de la substance.

Où Q est la quantité de chaleur, m la masse et L la chaleur latente de fusion ou vaporisation.

La chaleur latente est l'énergie thermique nécessaire pour changer l'état d'une substance sans modifier sa température. Elle correspond à l'énergie nécessaire pour rompre ou former les liaisons intermoléculaires.

• 1 Chaleur latente de fusion (Lf) : pour la transition solide-liquide
• 2 Chaleur latente de vaporisation (Lv) : pour la transition liquide-gaz
• 3 Unité : J/kg ou J/g

• 1 Lf = 334 J/g (fusion de la glace)
• 2 Lv = 2260 J/g (vaporisation de l'eau)

Une courbe de chauffage représente l'évolution de la température d'une substance en fonction du temps (ou de la chaleur fournie). Pendant les transitions de phase, la température reste constante malgré l'apport de chaleur.

Le diagramme de phase montre les domaines de stabilité des différentes phases d'une substance en fonction de la pression et de la température. Il permet d'identifier les points triples et critiques.

• 1 Faire bouillir de l'eau : absorption de chaleur latente de vaporisation
• 2 Congeler des aliments : libération de chaleur latente de fusion
• 3 Glace qui fond dans un verre : absorption de chaleur de l'environnement

Les climatiseurs et réfrigérateurs utilisent les transitions de phase pour transférer la chaleur. Le réfrigérant subit des cycles de compression et de détente, alternant entre vaporisation (absorption de chaleur) et condensation (libération de chaleur).

Calculer l'énergie nécessaire pour faire fondre 200 g de glace à 0°C.

Donnée : Lf = 334 J/g

Il faut donc 66,8 kJ pour faire fondre 200 g de glace à 0°C.

Calculer l'énergie nécessaire pour vaporiser 100 g d'eau à 100°C.

Donnée : Lv = 2260 J/g

Il faut donc 226 kJ pour vaporiser 100 g d'eau à 100°C.

• 1 Placer de la glace pilée dans un bécher
• 2 Chauffer doucement avec un thermomètre
• 3 Mesurer la température toutes les 30 secondes
• 4 Observer la température constante pendant la fusion

On devrait observer que la température reste constante à 0°C pendant la fusion de la glace, malgré l'apport de chaleur. Cela démontre que l'énergie thermique est utilisée pour rompre les liaisons entre les molécules de glace, et non pour augmenter la température.

Les points de fusion et d'ébullition d'une substance dépendent de la pression. En général :

• 1 Point de fusion : varie peu avec la pression
• 2 Point d'ébullition : augmente avec la pression
• 3 L'eau bout à 100°C à 1 atm, mais à 120°C dans une cocotte-minute

• 1 Cocottes-minute : cuisson rapide grâce à la pression
• 2 Distillation sous vide : extraction à basse température
• 3 Systèmes frigorifiques : exploitation des changements de pression

L'énergie nécessaire pour chauffer la glace de -10°C à 0°C est de 2 100 J.

L'énergie nécessaire pour faire fondre la glace est de 33 400 J.

L'eau à 25°C peut céder 20 900 J en refroidissant à 0°C.

Énergie totale nécessaire : Q1 + Q2 = 2 100 + 33 400 = 35 500 J

Énergie disponible : Q3 = 20 900 J

Comme l'énergie disponible est inférieure à l'énergie nécessaire, toute la glace ne fondra pas. La température finale est donc 0°C.

• 1 Fusion : solide → liquide (endothermique)
• 2 Solidification : liquide → solide (exothermique)
• 3 Vaporisation : liquide → gaz (endothermique)
• 4 Condensation : gaz → liquide (exothermique)

• 1 Température constante pendant la transition
• 2 Échange d'énergie sous forme de chaleur latente
• 3 Chaleur latente : énergie nécessaire par unité de masse
• 4 Pression influence les points de transition