Chaleur latente - Constitution et Transformation de la Matière

La chaleur latente est l'énergie thermique absorbée ou libérée par une substance lors d'un changement d'état physique à température constante.

C'est l'énergie nécessaire pour rompre ou établir les liaisons entre les particules sans modifier la température du corps.

• Elle est absorbée ou libérée pendant un changement d'état
• Elle ne modifie pas la température du corps
• Elle dépend de la nature de la substance
• Elle dépend du type de changement d'état

• Chaleur sensible : énergie qui modifie la température d'un corps sans changement d'état

• Chaleur latente : énergie qui provoque un changement d'état sans modification de température

Énergie nécessaire pour transformer une substance de l'état solide à l'état liquide à sa température de fusion.

Exemple : glace qui fond en eau à 0°C.

Symbolisée par Lf (ou Lfusion).

Énergie libérée lors de la transformation d'une substance de l'état liquide à l'état solide.

Exemple : eau qui gèle en glace à 0°C.

Valeur égale à la chaleur latente de fusion (mais de signe opposé).

Énergie nécessaire pour transformer une substance de l'état liquide à l'état gazeux à sa température d'ébullition.

Exemple : eau qui bout en vapeur à 100°C.

Symbolisée par Lv (ou Lvap).

Énergie libérée lors de la transformation d'une substance de l'état gazeux à l'état liquide.

Exemple : vapeur d'eau qui se condense en eau.

Valeur égale à la chaleur latente de vaporisation (mais de signe opposé).

Où :

• Q = énergie thermique (en joules, J)
• m = masse de la substance (en kilogrammes, kg)
• L = chaleur latente spécifique (en J/kg)

• Chaleur latente de fusion : Lf = Qf / m

• Chaleur latente de vaporisation : Lv = Qv / m

• Chaleur latente de sublimation : Ls = Qs / m

• Unité de base : joule par kilogramme (J/kg)

• Unité courante : kilojoule par kilogramme (kJ/kg)

• Unité historique : calorie par gramme (cal/g)

Pour 2 kg de glace à 0°C :

Lf = 334 kJ/kg

Q = m × Lf = 2 × 334 = 668 kJ

Il faut 668 kJ pour faire fondre 2 kg de glace.

• La chaleur latente de vaporisation est toujours supérieure à celle de fusion
• L'eau a des chaleurs latentes élevées comparées à d'autres substances
• Les métaux ont des chaleurs latentes de fusion relativement élevées

• Phase 1 : chauffage de la glace (-20°C à 0°C) - chaleur sensible
• Palier 1 : fusion de la glace (0°C) - chaleur latente de fusion
• Phase 2 : chauffage de l'eau (0°C à 100°C) - chaleur sensible
• Palier 2 : ébullition de l'eau (100°C) - chaleur latente de vaporisation
• Phase 3 : chauffage de la vapeur (100°C à 120°C) - chaleur sensible

• Pour 1 kg d'eau : chaleur latente de fusion = 334 kJ

• Pour 1 kg d'eau : chaleur latente de vaporisation = 2260 kJ

• La vaporisation nécessite environ 7 fois plus d'énergie que la fusion !

• Cuisson à la vapeur : utilisation de la chaleur latente de condensation

• Ébullition : l'eau absorbe beaucoup d'énergie pour devenir vapeur

• Refroidissement : la glace fond en absorbant de la chaleur

• Réfrigérateurs : le fluide frigorigène absorbe la chaleur latente de vaporisation

• Pompes à chaleur : libération de chaleur latente lors de la condensation

• Chauffage par condensation : utilisation de la chaleur libérée

• Cycle de l'eau : évaporation (absorption) → condensation (libération)

• Formation de nuages : libération de chaleur lors de la condensation

• Tempêtes : libération massive de chaleur latente

• Centrales électriques : utilisation de la chaleur latente de vaporisation

• Distillation : séparation basée sur les chaleurs latentes

• Lyophilisation : sublimation contrôlée

• Industrie pétrolière : distillation fractionnée

Données : m = 500 g = 0,5 kg ; Lf = 334 kJ/kg

Formule : Q = m × Lf

Q = 0,5 × 334 = 167 kJ

Il faut 167 kJ pour faire fondre 500 g de glace.

Données : Q = 167 kJ = 167 000 J ; P = 500 W

Formule : t = Q/P

t = 167 000 / 500 = 334 secondes = 5 min 34 s

Données : Q = 2 712 kJ ; Lv = 2260 kJ/kg

Formule : m = Q/Lv

m = 2 712 / 2260 = 1,2 kg

La totalité de l'eau est vaporisée.

Masses initiale = 1,2 kg ; Masses vaporisée = 1,2 kg

Masses restante = 1,2 - 1,2 = 0 kg

Il ne reste aucune eau liquide dans le récipient.

Q1 = m × c_glace × ΔT = 0,2 × 2,1 × (0 - (-10)) = 0,2 × 2,1 × 10 = 4,2 kJ

Q2 = m × Lf = 0,2 × 334 = 66,8 kJ

Q3 = m × c_eau × ΔT = 0,2 × 4,18 × (100 - 0) = 0,2 × 4,18 × 100 = 83,6 kJ

Q4 = m × Lv = 0,2 × 2260 = 452 kJ

Q5 = m × c_vapeur × ΔT = 0,2 × 2,0 × (110 - 100) = 0,2 × 2,0 × 10 = 4 kJ

Qtotale = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 4,2 + 66,8 + 83,6 + 452 + 4 = 610,6 kJ

• Ne pas confondre l'énergie qui change la température (chaleur sensible) avec celle qui change l'état (chaleur latente)

• Pendant un changement d'état, la température reste constante malgré l'apport d'énergie

• Vérifier que les unités sont cohérentes (kg pour la masse, J/kg pour la chaleur latente)

• Convertir correctement entre g et kg, kJ et J

• Ne pas oublier de considérer tous les changements d'état dans un processus complexe

• Additionner toutes les énergies (chaleurs sensibles + chaleurs latentes)

• Identifier clairement les changements d'état dans le processus
• Convertir les masses en kg avant les calculs
• Utiliser les bonnes valeurs de chaleurs latentes
• Vérifier que les unités sont cohérentes
• Estimer l'ordre de grandeur du résultat

Énergie absorbée ou libérée lors d'un changement d'état à température constante.

Formule : Q = m × L

• Chaleur latente de fusion : solide → liquide
• Chaleur latente de vaporisation : liquide → gaz
• Chaleur latente de sublimation : solide → gaz
• Les valeurs sont spécifiques à chaque substance

• Ne modifie pas la température
• Implique la rupture ou formation de liaisons
• Plus élevée pour la vaporisation que pour la fusion
• Propriété caractéristique d'une substance

• Cuisine et réfrigération
• Climatisation et chauffage
• Phénomènes naturels
• Processus industriels