Transferts thermiques - changements d'état

Dans cette vidéo, tu vas étudier les transferts thermiques et les cas de changements d'état qui en résultent.

Qu'est-ce que les transferts thermiques ?

Lorsque qu'un objet chaud à la température θ1 entre en contact avec un objet froid à la température θ2, il se produit un échange d'énergie sous forme de transfert thermique. Cette variation thermique peut provoquer un changement de température du corps et/ou un changement d'état.

Les changements d'état de la matière

Rappel :

La matière existe sous trois états : l’état solide, l’état liquide et l’état gazeux. L’état solide est très organisé, l’état liquide est plus désorganisé et l’état gazeux est encore plus désorganisé que l’état liquide. Dans le schéma ci-dessous, chaque rond violet représente une entité de matière comme un atome, une molécule ou un ion.

Certains changements d'état nécessitent un apport d'énergie, ce qui les rend endothermiques. La fusion, la vaporisation et la sublimation nécessitent un apport d'énergie, car elles entraînent un passage d'un état structuré à un état plus chaotique, ce qui requiert une agitation des particules de matière. Il existe des changements d'état qui sont exothermiques, c'est-à-dire qu'ils dégagent de l'énergie à l'extérieur. La solidification, la condensation et la liquéfaction sont des processus exothermiques, car ils impliquent un passage d'un état désordonné à un état plus structuré, ce qui entraîne une libération d'énergie vers l'extérieur.

Comment calculer le transfert thermique lors d'un changement d'état ?

Voici le graphique représentant l'évolution de la température au fil du temps lors de deux changements d'état d'un corps pur soumis à une pression constante. Imaginons que l'on prenne une entité à l'état solide, que l'on la chauffe progressivement et que l'on enregistre la température au fil du temps. Si le corps est pur et que la température reste stable, nous obtiendrons alors cette courbe. Au début, la température augmente, puis il y a un palier de température qui correspond au changement d’état solide-liquide. Au début le corps pur est à l’état solide, au virage de la courbe on a l’apparition de la première goutte de liquide, puis on a le palier du changement d’état solide-liquide. Il se fait à une température constante T_f qu’on appelle température de fusion. Au prochain virage de la courbe, il n’y a plus de solide. On continue à chauffer la matière à l’état liquide et il y a de nouveau un palier de température. Celui-ci correspond au changement d’état liquide-gaz. On obtient la dernière goutte de liquide au virage et ensuite la matière est à l’état gazeux. Ce palier correspond à la température de vaporisation T_v. Pour rappel, T_f et T_v caractérisent un corps pur à une pression donnée. Par exemple, si un corps fond à 0°C et se vaporise à 100°C, on sait que c’est de l’eau pure. Donc, pour calculer le transfert thermique pendant un changement d’état, on a la relation suivante : 

Q=mLQ=mL

Avec Q le transfert thermique noté aussi ΔE exprimé en Joules, m la masse de corps utilisée en kg et L l’énergie massique de changement d’état exprimée en J.kg-1. Cette dernière correspond à l’énergie qu’il faut pour faire un changement d’état pour 1kg du corps étudié. Les énergies massiques de changement d’état sont à l’opposé l’une de l’autre si les deux changements d’état sont opposés l’un de l’autre. Par exemple :

L_fusion = -L_{solidification}

L_vaporisation = -L_{liquéfaction}

L_sublimation = -L_condensation

Ces grandeurs sont fournies, il faut juste savoir utiliser la formule. Il faut aussi interpréter le signe de ces grandeurs. Le signe de L est le même que celui de Q puisque mm est positif (kg). Ainsi pour la fusion, la vaporisation et la sublimation, l’énergie massique de changement d’état est positive. Pour la solidification, la liquéfaction et la condensation, l’énergie massique de changement d’état est négative.