Fusion : Transition de phase solide → liquide, endothermique.
On utilise la formule : Q = m × L_f
- Q = énergie échangée (en J)
- m = masse de la substance (en kg)
- L_f = chaleur latente de fusion (en J/kg)
Soit m = 500 g = 0.5 kg de glace à 0°C
L_f(eau) = 334,000 J/kg
Q = 0.5 × 334,000 = 167,000 J
Q = 167 kJ
L'énergie est absorbée par la glace pour rompre les liaisons hydrogène
Il faut 167 kJ d'énergie pour faire fondre 500 g de glace à 0°C
• Transition endothermique : L'énergie est absorbée du milieu extérieur
• Température constante : Pendant la fusion, T = 0°C
• Chaleur latente : Énergie nécessaire pour changer d'état sans changer de température
Vaporisation : Transition de phase liquide → gaz, endothermique.
m = 200 g = 0.2 kg d'eau à 100°C
L_v(eau) = 2,260,000 J/kg
Q = m × L_v = 0.2 × 2,260,000 = 452,000 J
Q = 452 kJ
L'énergie sert à rompre toutes les liaisons intermoléculaires
Il faut 452 kJ d'énergie pour vaporiser 200 g d'eau à 100°C
• Vaporisation : Nécessite plus d'énergie que la fusion
• Processus endothermique : Absorbe de l'énergie du milieu
• Ébullition : Se produit à température constante (100°C à 1 atm)
Condensation : Transition de phase gaz → liquide, exothermique.
m = 150 g = 0.15 kg de vapeur d'eau à 100°C
L_v(eau) = 2,260,000 J/kg
Q = m × L_v = 0.15 × 2,260,000 = 339,000 J
Q = -339 kJ (énergie libérée, donc négative)
L'énergie est libérée vers le milieu extérieur
339 kJ d'énergie sont libérés lors de la condensation de 150 g de vapeur d'eau
• Processus inverse : Condensation = inverse de vaporisation
• Processus exothermique : Libère de l'énergie
• Même valeur : |Q_condensation| = |Q_vaporisation|
Sublimation : Transition directe solide → gaz, endothermique.
m = 100 g = 0.1 kg de glace carbonique (CO₂ solide)
L_s(CO₂) = 574,000 J/kg
Q = m × L_s = 0.1 × 574,000 = 57,400 J
Q = 57.4 kJ
Le CO₂ passe directement de l'état solide à gazeux sans passer par l'état liquide
Il faut 57.4 kJ d'énergie pour sublimer 100 g de glace carbonique
• Sublimation : Transition directe solide → gaz
• Endothermique : Absorbe de l'énergie
• Température : Occasionnellement à température ambiante pour certains corps
Comparaison : Analyse des différentes valeurs de chaleurs latentes.
L_f = 334,000 J/kg (fusion), L_v = 2,260,000 J/kg (vaporisation)
L_v / L_f = 2,260,000 / 334,000 ≈ 6.77
Il faut environ 7 fois plus d'énergie pour vaporiser que pour fondre
La vaporisation casse toutes les liaisons intermoléculaires, la fusion seulement certaines
La transpiration est très efficace pour refroidir le corps
La vaporisation nécessite environ 7 fois plus d'énergie que la fusion pour l'eau
• Ordre de grandeur : L_v > L_f pour la plupart des substances
• Énergie de liaison : Plus d'énergie pour séparer complètement les molécules
• Applications : Refroidissement par évaporation, climatisation
Diagramme de phase : Représentation des états de la matière en fonction de P et T.
Abscisse : température (T), Ordonnée : pression (P)
Solide, liquide, gaz selon les conditions de T et P
Point triple (0.01°C, 611 Pa), point critique (374°C, 221 bar)
Sublimation, fusion, vaporisation séparent les domaines
À 1 atm et 25°C, l'eau est liquide ; à 1 atm et 100°C, elle bout
Le diagramme montre les conditions de température et pression pour chaque état de l'eau
• Conditions standards : 1 atm, température variable
• Point triple : Les 3 états sont en équilibre
• Applications :
Pression constante : Processus isobare, couramment utilisé dans les applications quotidiennes.
Pression atmosphérique constante (1 atm)
On chauffe de la glace à -10°C jusqu'à la vapeur à 120°C
1) Glace (-10°C → 0°C), 2) Fusion (0°C), 3) Eau (0°C → 100°C), 4) Vaporisation (100°C), 5) Vapeur (100°C → 120°C)
Lors des transitions (fusion et vaporisation), T reste constante
La somme des énergies pour chaque étape donne l'énergie totale
Le processus comporte 5 étapes avec 2 paliers de température correspondant aux transitions
• Processus isobare : Pression constante
• Paliers thermiques : Température constante pendant les transitions
• Énergie cumulative : Somme des énergies pour chaque étape
Chaleur latente : Énergie nécessaire pour changer l'état d'une unité de masse.
On fournit 100 kJ pour faire fondre 300 g de substance
m = 300 g = 0.3 kg, Q = 100 kJ = 100,000 J
De Q = m × L, on déduit L = Q / m
L = 100,000 / 0.3 = 333,333 J/kg
Cette valeur correspond approximativement à celle de l'eau (334,000 J/kg)
La chaleur latente de fusion de cette substance est de 333,333 J/kg
• Identité de la substance : Comparaison avec valeurs connues
• Unités : Toujours convertir en kg et J
• Précision : Les mesures expérimentales ont des incertitudes
Évaporation : Vaporisation superficielle qui peut se produire à toute température.
Seules les molécules les plus énergétiques quittent la surface
Les molécules restantes ont une énergie moyenne plus faible
La température du liquide diminue (refroidissement)
La transpiration permet le refroidissement du corps
Chaque gramme d'eau évaporé emporte environ 2.4 kJ d'énergie
L'évaporation cause un refroidissement par extraction d'énergie thermique
• Sélection moléculaire : Seules les molécules rapides s'échappent
• Refroidissement : Énergie extraite du liquide restant
• Biologie : Mécanisme essentiel de thermorégulation
Cycle thermodynamique : Suite de transformations ramenant un système à son état initial.
Compression isotherme → détente adiabatique → compression isotherme → détente adiabatique
ΔU_total = 0 (état initial = état final)
W_total + Q_total = 0 (selon le premier principe)
Machines thermiques, réfrigérateurs, pompes à chaleur
η = W_utile / Q_reçu (toujours < 1 pour les machines réelles)
Un cycle thermodynamique permet de transformer de l'énergie thermique en travail
• Cycle complet : Retour à l'état initial
• Conservation : Premier principe de la thermodynamique
• Applications : Machines thermiques et réfrigérantes
