11.3 Changement de phase et chaleur latente

Section Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous pourrez faire ce qui suit:

Expliquez les changements de chaleur pendant les changements d'état et décrivez les chaleurs latentes de la fusion et de la vaporisation
Résoudre des problèmes impliquant des changements d'énergie thermique lors du chauffa*ge et des substances de refroidissem*nt avec des changements de phase

Soutien des enseignants

Les objectifs d'apprentissage de cette section aideront vos élèves à maîtriser les normes suivantes:

(6) Concepts scientifiques.L'élève sait que des changements se produisent dans un système physique et applique les lois de la conservation de l'énergie et de l'élan.L'étudiant devrait:
- (E)Décrire comment les propriétés macroscopiques d'un système thermodynamique telles que la température, la chaleur spécifique et la pression sont liées au niveau moléculaire de la matière, y compris l'énergie cinétique ou potentielle des atomes;
- (F)Contraste et donnez des exemples de différents processus de transfert d'énergie thermique, y compris la conduction, la convection et le rayonnement.

Section Termes clés

condensation	gelé	chaleur latente	sublimation
chaleur latente de fusion	la chaleur latente de vaporisation	fusion	vaporisation
changement de phase	diagramme de phase	plasma

Soutien des enseignants

Présentez cette section en demandant aux élèves de donner des exemples de solides, de liquides et de gaz.

Changements de phase

Jusqu'à présent, nous avons appris que l'ajout d'énergie thermique par la chaleur augmente la température d'une substance.Mais étonnamment, il y a des situations où l'ajout d'énergie ne change pas du tout la température d'une substance!Au lieu de cela, l'énergie thermique supplémentaire agit pour desserrer les liaisons entre les molécules ou les atomes et provoque unchangement de phase.Parce que cette énergie pénètre ou quitte un système pendant un changement de phase sans provoquer un changement de température dans le système, il est connu sous le nomchaleur latente(Moyens latentscaché).

Les trois phases de la matière que vous rencontrez fréquemment sont solides, liquides et gaz (voirFigure 11.8).Solid a l'état le moins énergique;Les atomes des solides sont en contact étroit, avec des forces entre elles qui permettent aux particules de vibrer mais ne changent pas de position avec les particules voisines.(Ces forces peuvent être considérées comme des ressorts qui peuvent être étirés ou comprimés, mais pas facilement cassés.)

Le liquide a un état plus énergique, dans lequel les particules peuvent glisser en douceur les unes et changer les voisins, bien qu'elles soient toujours maintenues ensemble par leur attraction mutuelle.

Le gaz a un état plus énergique que le liquide, dans lequel les particules sont brisées sans liaisons.Les particules dans les gaz sont séparées par des distances grandes par rapport à la taille des particules.

L'état le plus énergique de tous estplasma.Bien que vous n'ayez peut-être pas beaucoup entendu parler du plasma, c'est en fait l'état de matière le plus courant dans l'univers - les états sont constitués de plasma, tout comme la foudre.L'état du plasma est atteint en chauffant un gaz au point où les particules sont séparées, séparant les électrons du reste de la particule.Cela produit un gaz ionisé qui est une combinaison des électrons libres chargés négativement et des ions chargés positivement, appelés plasma.

11.3 Phase Change and Latent Heat - Physics | OpenStax (1)

Chiffre11.8 (a) Les particules dans un solide ont toujours les mêmes voisins, maintenus par les forces représentées ici par des ressorts.Ces particules sont essentiellement en contact entre elles.Une roche est un exemple de solide.Cette roche conserve sa forme en raison des forces qui maintiennent ses atomes ou ses molécules ensemble.(b) Les particules dans un liquide sont également en contact étroit mais peuvent se glisser les unes sur les autres.Les forces entre eux résistent fortement aux tentatives de les rapprocher et de les maintenir en contact étroit.L'eau est un exemple de liquide.L'eau peut s'écouler, mais elle reste également dans un récipient ouvert en raison des forces entre ses molécules.(c) Les particules dans un gaz sont séparées par des distances qui sont considérablement plus grandes que la taille des particules elles-mêmes, et elles se déplacent librement.Un gaz doit être maintenu dans un récipient fermé pour l'empêcher de se déplacer dans son environnement.(d) L'atmosphère est ionisée dans la chaleur extrême d'une frappe de foudre.

Au cours d'un changement de phase, la matière passe d'une phase à une autre, soit par l'ajout d'énergie par la chaleur et la transition vers un état plus énergique, soit de l'élimination de l'énergie par la chaleur et la transition vers un état moins énergique.

Les changements de phase à un état plus énergique comprennent les éléments suivants:

Fusion—Solide à liquide
Vaporisation—Liquide au gaz (inclus l'ébullition et l'évaporation)
Sublimation—Solide au gaz
IonisationGaz au plasma

Les changements de phase à un état moins énergique sont les suivants:

Condensation—Gas à liquide
Gelé—Liquide à solide
Recombinaison—Plasma au gaz
DépositionGaz à solide

L'énergie est nécessaire pour faire fondre un solide car les liaisons entre les particules dans le solide doivent être brisées.Étant donné que l'énergie impliquée dans un changement de phase est utilisée pour briser les liaisons, il n'y a aucune augmentation des énergies cinétiques des particules, et donc aucune augmentation de la température.De même, l'énergie est nécessaire pour vaporiser un liquide pour surmonter les forces d'attraction entre les particules dans le liquide.Il n'y a pas de changement de température jusqu'à ce qu'un changement de phase soit terminé.La température d'une tasse de soude et de glace qui est initialement à 0 $° C$ reste à 0 $° C$ Jusqu'à ce que toute la glace ait fondu.Dans le sens inverse de ces processus - la congélation et la condensation - l'énergie est libérée de la chaleur latente (voirFigure 11.9).

Soutien des enseignants

[BL][OL]Demandez aux élèves si la même quantité d'énergie est absorbée ou libérée dans la fusion ou le gel d'une quantité particulière d'une substance.

[AL]Demandez à l'élève comment l'eau est capable de s'évaporer même lorsqu'elle est à température ambiante et non à 100 $° C$ .

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Chiffre11.9 (a) L'énergie est nécessaire pour surmonter partiellement les forces d'attraction entre les particules dans un solide pour former un liquide.Cette même énergie doit être supprimée pour le gel pour avoir lieu.(b) Les particules sont séparées par de grandes distances lors du passage du liquide à la vapeur, nécessitant une énergie significative pour surmonter l'attraction moléculaire.La même énergie doit être retirée pour que la condensation ait lieu.Il n'y a pas de changement de température jusqu'à ce qu'un changement de phase soit terminé.(c) suffisamment d'énergie est ajoutée pour que l'état liquide soit complètement sauté car une substance subit une sublimation.

La chaleur,Q, nécessaire pour modifier la phase d'un échantillon de massemest

$Q = m L_{F}$ (pour fondre / congélation),

$Q = m L_{V}$ (pour vaporisation / condensation),

où $L_{F}$ est lechaleur latente de fusion, et $L_{V}$ est lela chaleur latente de vaporisation.La chaleur latente de la fusion est la quantité de chaleur nécessaire pour provoquer un changement de phase entre le solide et le liquide.La chaleur latente de vaporisation est la quantité de chaleur nécessaire pour provoquer un changement de phase entre le liquide et le gaz. $L_{F}$ et $L_{V}$ sont des coefficients qui varient de la substance à la substance, selon la force des forces intermoléculaires, et les deux ont des unités standard de J / kg.VoirTableau 11.3pour les valeurs de $L_{F}$ et $L_{V}$ de différentes substances.

Substance	Point de fusion ( $° C$ )	LF(kj / kg)	Point d'ébullition ( $° C$ )	LV(kj / kg)
Hélium	‒269.7	5.23	‒268.9	20.9
Hydrogène	‒259.3	58.6	‒252.9	452
Azote	‒210.0	25.5	‒195.8	201
Oxygène	‒218.8	13.8	‒183.0	213
Éthanol	‒114	104	78.3	854
Ammoniac	‒78	332	‒33.4	1370
Mercure	‒38.9	11.8	357	272
Eau	0,00	334	100.0	2256
Soufre	119	38.1	444.6	326
Plomb	327	24.5	1750	871
Antimoine	631	165	1440	561
Aluminium	660	380	2520	11400
Argent	961	88.3	2193	2336
Or	1063	64.5	2660	1578
Cuivre	1083	134	2595	5069
Uranium	1133	84	3900	1900
Tungstène	3410	184	5900	4810

Tableau 11.3 Chaleurs latentes de la fusion et de la vaporisation, ainsi que des points de fusion et d'ébullition

Considérons l'exemple de l'ajout de chaleur à la glace pour examiner ses transitions à travers les trois phases - solide à liquide au gaz.UNdiagramme de phaseindiquant les changements de température de l'eau à mesure que l'énergie est ajoutée est indiquée enFigure 11.10.La glace commence à -20 $° C$ et sa température augmente linéairement, absorbant la chaleur à un rythme constant jusqu'à ce qu'elle atteigne 0 $° .$ Une fois à cette température, la glace fond progressivement, absorbant 334 kJ / kg.La température reste constante à 0 $° C$ 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 rythme constant.À 100 $° C$ , l'eau commence à bouillir et la température reste à nouveau constante tandis que l'eau absorbe 2256 kJ / kg pendant ce changement de phase.Lorsque tout le liquide est devenu de la vapeur, la température augmente à nouveau à un rythme constant.

11.3 Phase Change and Latent Heat - Physics | OpenStax (3)

Chiffre11.10 Un graphique de la température par rapport à l'énergie ajoutée.Le système est construit de sorte qu'aucune vapeur ne se forme tandis que la glace se réchauffe pour devenir de l'eau liquide, et donc lorsque la vaporisation se produit, la vapeur reste dans le système.Les longs étendues de valeurs de température constantes à 0 $° C$ et 100 $° C$ Reflétez respectivement les grandes chaleurs latentes de la fusion et de la vaporisation.

Nous avons vu que la vaporisation nécessite un transfert de chaleur vers une substance à partir de son environnement.La condensation est le processus inverse, où la chaleur en transfertloin deune substanceàson environnement.Cette libération de chaleur latente augmente la température de l'environnement.L'énergie doit être retirée des particules de condensation pour faire condenser une vapeur.C'est pourquoi la condensation se produit sur les surfaces froides: la chaleur transfère l'énergie loin de la vapeur chaude à la surface froide.L'énergie est exactement la même que celle requise pour provoquer le changement de phase dans l'autre sens, du liquide à la vapeur, et il peut donc être calculé à partir de $Q = m L_{V}$ .La chaleur latente est également libérée dans l'environnement lorsqu'un liquide gèle et peut être calculé à partir de $Q = m L_{F}$ .

Amusant en physique

Faire de la glace

11.3 Phase Change and Latent Heat - Physics | OpenStax (4)

Chiffre11.11 Avec les ingrédients appropriés, de la glace et quelques sacs en plastique, vous pouvez faire votre propre glace en cinq minutes.(Elinord, Wikimedia Commons)

La crème glacée est certainement assez facile à acheter au supermarché, mais pour le passionné de crème glacée hardcore, cela peut ne pas être assez satisfaisant.Passer par le processus de fabrication de vos propres glaces vous permet d'inventer vos propres saveurs et de vous émerveiller de la physique (Figure 11.11).

La première étape pour faire de la crème glacée maison est de mélanger la crème épaisse, le lait entier, le sucre et votre saveur de choix;Il peut être aussi simple que de la poudre de cacao ou de l'extrait de vanille, ou aussi fantaisie que les grenades ou les pistaches.

L'étape suivante consiste à verser le mélange dans un récipient qui est suffisamment profond pour que vous puissiez baratter le mélange sans qu'il se répande, et qui est également en sécurité congélateur.Après l'avoir placé dans le congélateur, la glace doit être remuée vigoureusem*nt toutes les 45 minutes pendant quatre à cinq heures.Cela ralentit le processus de congélation et empêche la crème glacée de se transformer en un bloc solide de glace.La plupart des gens préfèrent une texture crémeuse douce au lieu d'un popsicle géant.

En gèle, la crème subit un changement de phase du liquide au solide.À ce jour, nous sommes suffisamment expérimentés pour savoir que cela signifie que la crème doit subir une perte de chaleur.Où va cette chaleur?En raison de la différence de température entre le congélateur et le mélange de crème glacée, la chaleur transfère l'énergie thermique de la crème glacée à l'air dans le congélateur.Une fois que la température du congélateur augmente suffisamment, le congélateur est refroidi en pompant l'excès de chaleur à l'extérieur dans la cuisine.

Un moyen plus rapide de faire de la crème glacée consiste à le refroidir en plaçant le mélange dans un sac en plastique, entouré d'un autre sac en plastique à moitié plein de glace.(Vous pouvez également ajouter une cuillère à café de sel dans le sac extérieur pour abaisser la température du mélange de glace / sel.) Secouer le sac pendant cinq minutes qui fait tourner la crème glacée tout en la refroidissant uniformément.Dans ce cas, la chaleur transfère l'énergie hors du mélange de crème glacée et dans la glace pendant le changement de phase.

CevidéoDonne une démonstration de la façon de faire de la crème glacée maison avec des sacs de glace et en plastique.

Pourquoi la méthode du sac de glace fonctionne-t-elle tellement plus rapidement que la méthode du congélateur pour fabriquer de la crème glacée?

La glace a une chaleur spécifique plus petite que l'air environnant dans un congélateur.Par conséquent, il absorbe plus d'énergie du mélange de glaces.
La glace a une chaleur spécifique plus petite que l'air environnant dans un congélateur.Par conséquent, il absorbe moins d'énergie du mélange de glaces.
La glace a une chaleur spécifique plus grande que l'air environnant dans un congélateur.Par conséquent, il absorbe plus d'énergie du mélange de glaces.
La glace a une chaleur spécifique plus grande que l'air environnant dans un congélateur.Par conséquent, il absorbe moins d'énergie du mélange de glaces.

Résolution des problèmes d'énergie thermique avec les changements de phase

Exemple travaillé

Calculer la chaleur requise pour un changement de phase

Calculez a) Combien d'énergie est nécessaire pour faire fondre 1 000 kg de glace à 0 $° C$ (point de congélation), et b) Combien d'énergie est nécessaire pour vaporiser 1 000 kg d'eau à 100 $° C$ (point d'ébullition).

Stratégie pour (a)

En utilisant l'équation pour la chaleur requise pour la fusion et la valeur de la chaleur latente de fusion de l'eau de la table précédente, nous pouvons résoudre pour la partie (a).

Solution à (a)

L'énergie pour faire fondre 1 000 kg de glace est

$Q = m L_{F} = (1 .000 kg) (334KJ / kg) = 334 KJ.$

11.18

Stratégie pour (b)

Pour résoudre la partie (b), nous utilisons l'équation pour la chaleur requise pour la vaporisation, ainsi que la chaleur latente de vaporisation de l'eau du tableau précédent.

Solution à (b)

L'énergie pour vaporiser 1 000 kg d'eau liquide est

$Q = m L_{V} = (1 .000 kg) (2256 kJ / kg) = 2256 KJ.$

11.19

Discussion

La quantité d'énergie doit faire fondre un kilogramme de glace (334 kJ) est la même quantité d'énergie nécessaire pour augmenter la température de 1 000 kg d'eau liquide à partir de 0 $° C$ à 79.8 $° C$ .Cet exemple montre que l'énergie pour un changement de phase est énorme par rapport à l'énergie associée aux changements de température.Il démontre également que la quantité d'énergie nécessaire à la vaporisation est encore plus grande.

Exemple travaillé

Calcul de la température finale à partir du changement de phase: Soda de refroidissem*nt avec des glaçons

Les glaçons sont utilisés pour refroidir un soda à 20 $° C$ Et avec une masse de $m_{s o d un} = 0,25 kg$ .La glace est à 0 $° C$ et la masse totale des glaçons est de 0,018 kg.Supposons que le soda est conservé dans un récipient en mousse afin que la perte de chaleur puisse être ignorée et que le soda a la même chaleur spécifique que l'eau.Trouvez la température finale lorsque toute la glace a fondu.

Stratégie

Les glaçons sont à la température de fusion de 0 $° C$ .La chaleur est transférée du soda vers la glace pour la fusion.La fusion de la glace se produit en deux étapes: Premièrement, le changement de phase se produit et la selle (glace) solide se transforme en eau liquide à la température de fusion;Ensuite, la température de cette eau augmente.La fusion donne de l'eau à 0 $° C$ , donc plus de chaleur est transférée du soda à cette eau jusqu'à ce qu'elles soient à la même température.Étant donné que la quantité de chaleur quittant le soda est la même que la quantité de chaleur transférée à la glace.

$Q_{je c e} = - Q_{s o d un}$

11.20

La chaleur transférée sur la glace va en partie vers le changement de phase (fusion) et en partie vers l'augmentation de la température après la fusion.Rappel de la dernière section que la relation entre la chaleur et le changement de température est $Q = m c D T$ .Pour la glace, le changement de température est $T_{F} - 0 ° C$ .La chaleur totale transférée à la glace est donc

$Q_{je c e} = m_{je c e} L_{F} + m_{je c e} c_{w} (T_{F} - 0 ° C) .$

11.21

Puisque le soda ne change pas la phase, mais seulement la température, la chaleur dégagée par le soda est

$Q_{s o d un} = m_{s o d un} c_{w} (T_{F} - 20 ° C) .$

11.22

Depuis $Q_{je c e} = - Q_{s o d un}$ ,

$m_{je c e} L_{F} + m_{je c e} c_{w} (T_{F} - 0 ° C) = - m_{s o d un} c_{w} (T_{F} - 20 ° C) .$

11.23

Apporter tous les termes impliquant $T_{F}$ au côté gauche de l'équation et à tous les autres termes au côté droit, nous pouvons résoudre pour $T_{F}$ .

$T_{F} = \frac{m_{s o d un} c_{w} (20 ° C) - m_{je c e} L_{F}}{(m_{s o d un} + m_{je c e}) c_{w}}$

11.24

Remplacer les quantités connues

$T_{F} = \frac{(0,25 kg) (4186 J / kg \cdot ° C) (20 ° C) - (0,018 kg) (334 000J / kg)}{(0 .25kg + 0 .018kg) (4186 K / kg \cdot ° C)} = 13 ° C$

11.25

Discussion

Cet exemple montre les énormes énergies impliquées lors d'un changement de phase.La masse de la glace représente environ 7% la masse du soda, mais elle provoque un changement notable de la température du soda.

Conseils pour réussir

Si la glace n'était pas déjà au point de congélation, nous devions également prendre en compte la quantité d'énergie pour augmenter sa température jusqu'à 0 $° C$ , avant le changement de phase.Ce serait un scénario réaliste, car la température de la glace est souvent inférieure à 0 $° C$ .

Problèmes de pratique

11.

Combien d'énergie est nécessaire pour faire fondre 2,00 kg de glace à 0 ° C?

334 kJ
336 kJ
167 kJ
668 kJ

12.

Si $2500\,\text{kJ}$ d'énergie est juste suffisant pour faire fondre $3.0\,\text{kg}$ d'une substance, quelle est la chaleur latente de fusion de la substance?

$7500\,\text{kJ} \cdot \text{kg}$
$7500\,\text{kJ/kg}$
$830\,\text{kJ} \cdot \text{kg}$
$830\,\text{kJ/kg}$

Vérifie ta compréhension

Soutien des enseignants

Utilisez ces questions pour évaluer la réalisation des élèves des objectifs d'apprentissage de la section.Si les étudiants se débattent avec un objectif spécifique, ces questions aideront à identifier lesquelles et à diriger les étudiants vers le contenu pertinent.

13.

Qu'est-ce que la chaleur latente?

C'est la chaleur qui doit transférer de l'énergie vers ou depuis un système afin de provoquer un changement de masse avec un léger changement dans la température du système.
C'est la chaleur qui doit transférer de l'énergie vers ou depuis un système afin de provoquer un changement de masse sans changement de température dans le système.
C'est la chaleur qui doit transférer de l'énergie vers ou depuis un système afin de provoquer un changement de phase avec un léger changement dans la température du système.
C'est la chaleur qui doit transférer de l'énergie vers ou depuis un système afin de provoquer un changement de phase sans changement de température dans le système.

14.

Dans quelles phases de la matière, des molécules capables de changer leurs positions?

gaz, liquide, solide
liquide, plasma, solide
liquide, gaz, plasma
plasma, gaz, solide

11.3 Changement de phase et chaleur latente - Physique |Openstax (2024)

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Changements de phase

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Problèmes de pratique

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