Applications énergétiques des transformations physiques

• Fusion : solide → liquide
• Vaporisation : liquide → gaz
• Sublimation : solide → gaz
• Condensation : gaz → liquide
• Solidification : liquide → solide
• Condensation inverse : gaz → solide

Lors de certains changements d'état, la matière absorbe de l'énergie sans changer de température.

• Fusion : absorption d'énergie pour briser les liaisons
• Vaporisation : absorption d'énergie pour vaincre les forces d'attraction
• Sublimation : absorption d'énergie pour passer directement de solide à gaz

Lors d'autres changements d'état, la matière libère de l'énergie.

• Condensation : libération d'énergie lors de la formation de liaisons
• Solidification : libération d'énergie lors du gel
• Condensation inverse : libération d'énergie lors du passage direct de gaz à solide

La chaleur latente est l'énergie absorbée ou libérée par une substance lors d'un changement d'état physique, sans changement de température.

Où :

• Q = quantité de chaleur (en joules)
• m = masse de la substance (en kg)
• L = chaleur latente (en J/kg)

• Chaleur latente de fusion (Lf) : énergie nécessaire pour fondre 1 kg de solide
• Chaleur latente de vaporisation (Lv) : énergie nécessaire pour vaporiser 1 kg de liquide
• Chaleur latente de sublimation (Ls) : énergie nécessaire pour sublimer 1 kg de solide

Voici la courbe de chauffage d'eau pure à pression normale :

Phases observées :

• A-B : chauffage de la glace (température augmente)
• B-C : fusion (température constante à 0°C)
• C-D : chauffage de l'eau liquide (température augmente)
• D-E : vaporisation (température constante à 100°C)
• E-F : chauffage de la vapeur (température augmente)

Un climatiseur fonctionne en utilisant le cycle de compression-expansion d'un fluide frigorigène :

• Compression du gaz → élévation de température
• Condensation → libération de chaleur
• Détente → baisse de température
• Évaporation → absorption de chaleur

• Distillation : séparation des composants d'un mélange par changement d'état
• Lyophilisation : séchage par sublimation de la glace
• Refroidissement cryogénique : utilisation de l'énergie de vaporisation

Données :

• m = 200 g = 0,2 kg
• Lf = 334 kJ/kg = 334 000 J/kg

Formule :

Calcul :

Réponse : Il faut 66,8 kJ d'énergie pour faire fondre 200 g de glace à 0°C.

Dans un système isolé, l'énergie totale reste constante. L'énergie ne se crée ni ne se détruit, elle se transforme.

Pour un système thermique :

Où :

• ΔU = variation d'énergie interne
• Q = chaleur échangée
• W = travail effectué

Lorsqu'on met en contact deux corps de températures différentes, ils échangent de la chaleur jusqu'à atteindre l'équilibre thermique.

Principe : Qperdu = -Qgagné

Données :

• m₁ = 100 g = 0,1 kg (eau chaude)
• T₁ = 80°C
• m₂ = 200 g = 0,2 kg (eau froide)
• T₂ = 20°C
• c = 4180 J/kg·K (capacité thermique de l'eau)

Principe : Qperdu = -Qgagné

0,1 × 4180 × (80 - Tf) = 0,2 × 4180 × (Tf - 20)

418 × (80 - Tf) = 836 × (Tf - 20)

33440 - 418Tf = 836Tf - 16720

33440 + 16720 = 836Tf + 418Tf

50160 = 1254Tf

Tf = 40°C

Le réfrigérateur utilise le principe de changement d'état pour transférer la chaleur de l'intérieur vers l'extérieur :

• Compression du gaz réfrigérant
• Condensation (libération de chaleur)
• Détente (refroidissement)
• Évaporation (absorption de chaleur)

• Cuisson à la vapeur : utilisation de la chaleur latente de vaporisation
• Refroidissement rapide : utilisation de la chaleur latente de fusion (glaçons)
• Pression dans les autocuiseurs : augmentation du point d'ébullition

La capacité thermique massique (c) est l'énergie nécessaire pour élever de 1°C la température de 1 kg d'une substance.

Où :

• Q = énergie (J)
• m = masse (kg)
• c = capacité thermique massique (J/kg·K)
• ΔT = variation de température (K)

• Eau : 4180 J/kg·K
• Glace : 2100 J/kg·K
• Vapeur d'eau : 2010 J/kg·K
• Aluminium : 900 J/kg·K
• Fer : 450 J/kg·K

1. Identifier les constituants du système
2. Reconnaître les phases de transformation
3. Distinguer les changements de température et les changements d'état
4. Appliquer les bonnes formules pour chaque phase
5. Sommer toutes les énergies

Pour analyser le chauffage complet d'une substance :

• Étapes de chauffage (ΔT ≠ 0) : Q = m×c×ΔT
• Étapes de changement d'état (ΔT = 0) : Q = m×L
• Énergie totale : somme de toutes les énergies partielles

• Changements d'état : fusion, vaporisation, sublimation, condensation, solidification
• Énergie absorbée ou libérée selon le sens de la transformation
• Température constante pendant le changement d'état

• Chaleur latente : Q = m × L
• Énergie de changement de température : Q = m × c × ΔT
• Conservation de l'énergie : Qperdu = -Qgagné

• Climatisation et réfrigération
• Industrie : distillation, lyophilisation
• Cuisine : cuisson à la vapeur, refroidissement