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Chaleur latente
La chaleur latente est l’énergie associée au changement de phase d’une substance.
Objectifs d’apprentissage
Décrire la chaleur latente comme une forme d’énergie
Points clésPoints clés
- L’énergie est nécessaire pour modifier la phase d’une substance, comme l’énergie nécessaire pour rompre les liaisons entre les molécules d’un bloc de glace afin qu’il puisse fondre.
- Lors d’un changement de phase, l’énergie peut être ajoutée ou soustraite d’un système, mais la température ne changera pas. La température ne changera que lorsque le changement de phase est terminé.
- La chaleur Q nécessaire pour changer la phase d’un échantillon de masse m est donnée par \text{Q} = \text{mL}_{\text{f}} (fusion ou congélation) et \text{Q} =\text{mL}_{\text{v}} (évaporation ou condensation), où Lf et Lv sont respectivement la chaleur latente de fusion et la chaleur latente de vaporisation.
Termes clés
- chaleur latente de fusion : l’énergie nécessaire pour faire passer une unité d’une substance du solide au liquide; de manière équivalente, l’énergie libérée lorsqu’une unité d’une substance passe du liquide au solide.
- chaleur latente de vaporisation: l’énergie nécessaire pour faire passer une unité d’une substance du liquide à la vapeur; de manière équivalente, l’énergie libérée lorsqu’une unité d’une substance passe de la vapeur au liquide.
- sublimation: transition d’une substance de la phase solide directement à l’état de vapeur de telle sorte qu’elle ne traverse pas la phase liquide intermédiaire
Chaleur latente
Précédemment, nous avons discuté du changement de température dû au transfert de chaleur. Aucun changement de température ne se produit par transfert de chaleur si la glace fond et devient de l’eau liquide (c.-à-d. lors d’un changement de phase). Par exemple, considérez l’eau qui coule des glaçons qui fondent sur un toit réchauffé par le soleil. Inversement, l’eau gèle dans un bac à glace refroidi par un environnement à plus basse température.
Glaçon fondant : La chaleur de l’air se transfère sur la glace, la faisant fondre.
L’énergie est nécessaire pour faire fondre un solide car les liaisons cohésives entre les molécules dans le solide doivent être brisées pour que les molécules puissent se déplacer à des énergies cinétiques comparables; il n’y a donc pas d’élévation de température. De même, l’énergie est nécessaire pour vaporiser un liquide, car les molécules d’un liquide interagissent les unes avec les autres via des forces d’attraction. Il n’y a pas de changement de température tant qu’un changement de phase n’est pas terminé. La température d’un verre de limonade initialement à 0 ºC reste à 0 ºC jusqu’à ce que toute la glace ait fondu. Inversement, l’énergie est libérée lors de la congélation et de la condensation, généralement sous forme d’énergie thermique. Le travail est effectué par des forces de cohésion lorsque les molécules sont réunies. L’énergie correspondante doit être dégagée (dissipée) pour leur permettre de rester ensemble.
L’énergie impliquée dans un changement de phase dépend de deux facteurs majeurs : le nombre et la force des liaisons ou paires de forces. Le nombre de liaisons est proportionnel au nombre de molécules et donc à la masse de l’échantillon. La force des forces dépend du type de molécules. La chaleur Q nécessaire pour changer la phase d’un échantillon de masse m est donnée par
\text{Q}=\text{mL}_{\text{f}} (fusion ou congélation)
\text{Q}=\text{mL}_{\text{v}} (évaporation ou condensation)
où la chaleur latente de fusion, Lf, et la chaleur latente de vaporisation, Lv, sont des constantes matérielles déterminées expérimentalement.
Transitions de phase: (a) L’énergie est nécessaire pour surmonter partiellement les forces d’attraction entre les molécules dans un solide pour former un liquide. Cette même énergie doit être retirée pour que la congélation ait lieu. (b) Les molécules sont séparées par de grandes distances lorsqu’elles passent du liquide à la vapeur, ce qui nécessite une énergie importante pour surmonter l’attraction moléculaire. La même énergie doit être éliminée pour que la condensation ait lieu. Il n’y a pas de changement de température tant qu’un changement de phase n’est pas terminé.
La chaleur latente est une propriété intensive mesurée en unités de J / kg. Lf et Lv dépendent tous deux de la substance, en particulier de la force de ses forces moléculaires comme indiqué précédemment. Lf et Lv sont collectivement appelés coefficients de chaleur latente. Ils sont latents, ou cachés, car lors des changements de phase, l’énergie entre ou sort d’un système sans provoquer de changement de température dans le système; ainsi, en effet, l’énergie est cachée. Notez que la fusion et la vaporisation sont des processus endothermiques en ce sens qu’elles absorbent ou nécessitent de l’énergie, tandis que la congélation et la condensation sont des processus exothermiques lorsqu’elles libèrent de l’énergie.
Chauffer la glace: Andrew Vanden Heuvel explore la chaleur latente tout en essayant de refroidir son soda.
Des quantités importantes d’énergie sont impliquées dans les changements de phase. Regardons, par exemple, la quantité d’énergie nécessaire pour faire fondre un kilogramme de glace à 0º C pour produire un kilogramme d’eau à 0 ° C. En utilisant l’équation pour un changement de température et la valeur pour l’eau (334 kJ / kg), nous trouvons que Q = mLf = (1,0 kg) (334kJ / kg) = 334kJ est l’énergie pour faire fondre un kilogramme de glace. C’est beaucoup d’énergie car cela représente la même quantité d’énergie nécessaire pour élever la température de 1 kg d’eau liquide de 0ºC à 79,8ºC. Encore plus d’énergie est nécessaire pour vaporiser l’eau; il faudrait 2256 kJ pour changer 1 kg d’eau liquide au point d’ébullition normal (100ºC à pression atmosphérique) en vapeur (vapeur d’eau). Cet exemple montre que l’énergie pour un changement de phase est énorme par rapport à l’énergie associée aux changements de température sans changement de phase.
Les changements de phase peuvent avoir un énorme effet stabilisant (voir figure ci-dessous). Envisagez d’ajouter de la chaleur à un taux constant à un échantillon de glace initialement à -20 ºC. Initialement, la température de la glace augmente linéairement, absorbant la chaleur à un taux constant de 0,50 cal / g⋅C jusqu’à ce qu’elle atteigne 0 ºC. Une fois à cette température, la glace commence à fondre jusqu’à ce que tout l’échantillon entier ait fondu, absorbant un total de 79,8 cal / g de chaleur. La température reste constante à 0 ºC pendant ce changement de phase. Une fois que toute la glace a fondu, la température de l’eau liquide augmente, absorbant la chaleur à un nouveau taux constant de 1,00 cal / g⋅C (rappelez-vous que les chaleurs spécifiques dépendent de la phase). À 100ºC, l’eau commence à bouillir et la température reste constante jusqu’à ce que l’eau absorbe 539 cal / g de chaleur pour compléter ce changement de phase. Lorsque tout le liquide est devenu de la vapeur, la température augmente à nouveau, absorbant la chaleur à un taux de 0,482 cal / g⋅C.
Chauffage et changements de phase de l’eau: Un graphique de la température en fonction de l’énergie ajoutée. Le système est construit de telle sorte qu’aucune vapeur ne s’évapore pendant que la glace se réchauffe pour devenir de l’eau liquide, et de telle sorte que, lors de la vaporisation, la vapeur reste dans le système. Les longues étendues de valeurs de température constante à 0ºC et 100ºC reflètent la grande chaleur latente de fusion et de vaporisation, respectivement.
Un changement de phase que nous avons négligé de mentionner jusqu’à présent est la sublimation, la transition du solide directement en vapeur. Le cas inverse, où la vapeur passe directement dans un solide, est appelé dépôt. La sublimation a sa propre chaleur latente Ls et peut être utilisée de la même manière que Lvand Lf.
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