L'énergie de changement d'état - Maxicours

L'énergie de changement d'état

Objectifs
  • Connaitre la signification de l’énergie massique de changement d’état d’une espèce.
  • Interpréter le signe de l’énergie massique de changement d’état.
  • Exploiter la relation entre l’énergie transférée lors d’un changement d’état et l’énergie massique de changement d’état de l’espèce.
Points clés
  • L’énergie massique L de changement d’état d’une espèce chimique est la quantité d’énergie que doit capter ou céder 1 kg de ce corps pour changer d’état.
  • Les énergies massiques de deux changements d’état contraires sont opposées.
  • L’énergie thermique Q transférée au milieu extérieur lors du changement d’état d’une masse m (en kg) d’une espèce chimique est Q = m × L, où L est l’énergie massique de changement d’état de l’espèce considérée.
Pour bien comprendre
  • Les changements d’état
  • Les transferts thermiques lors d’un changement d’état
1. L'énergie massique de changement d'état

Un changement d’état d’un corps pur s’accompagne d’un transfert d’énergie avec le milieu extérieur.

L’énergie massique de changement d’état (parfois appelée chaleur latente) d’une espèce chimique est la quantité d’énergie que doit capter ou céder 1 kg de ce corps pour changer d’état.
Cette énergie massique de changement d’état est notée L et elle s’exprime en joule par kilogramme (J·kg1).
  • Pour les changements d’état exothermiques (l’espèce chimique cède de l’énergie), L < 0.
  • Pour les changements d’état endothermiques (l’espèce chimique capte de l’énergie), L > 0.
Remarque
On utilise souvent le kJ·kg1 comme unité d’énergie massique de changement d’état.
1 kJ·kg1 = 1000 J·kg1 = 103 J·kg1

Le schéma suivant récapitule les changements d’état endothermiques et les changements d’état exothermiques.


Changements d’état endothermiques et exothermiques
Exemples
  • L’énergie massique de vaporisation de l’eau est Lvap 2,26 × 106 J·kg1. Cela signifie qu’il faut fournir 2,26 × 106 J d’énergie thermique à 1 kg d’eau pour qu’elle s’évapore.
  • L’énergie massique de solidification du plomb est Lsol −26,3 kJ·kg1. Cela signifie que lorsque 1 kg de plomb se solidifie, il cède 2,63 × 104 J d’énergie thermique à l’extérieur.
Les énergies massiques de deux changements d’état contraires sont opposées.
Lfusion = −Lsolidification
Lvaporisation = −Lliquéfaction
Lsublimation = −Lcondensation
Exemple
L’énergie massique de vaporisation (état liquide à gazeux) de l’eau est Lvap 2,26 × 106 J·kg1, donc l’énergie massique de liquéfaction (état gazeux à liquide) de l’eau est Lliq 2,26 × 106 J·kg1.
2. L'énergie de changement d'état

L’énergie thermique Q transférée au milieu extérieur lors du changement d’état d’une espèce chimique est proportionnelle :

  • à la masse m de l’espèce chimique ;
  • à l’énergie massique de changement d’état L de l’espèce (pour 1 kg).

La formule de l’énergie thermique Q transférée est la suivante.

Q = m × L
avec :
  • Q l’énergie de changement d’état, en joule (J) ;
  • m la masse de l’espèce chimique, en kilogramme (kg) ;
  • L l’énergie massique de changement d’état de l’espèce, en joule par kilogramme (J·kg1).
Exemple
On souhaite calculer l’énergie thermique de fusion de 500 g de glace d’eau.

L’énergie massique de fusion de l’eau est Lfus = 3,33 × 105 J·kg1.
500 g 0,5 kg
Ainsi : Q = m × L  = 0,5 × 3,33 × 105 = 1,665 × 105 J

Faire fondre un bloc de 500 g de glace nécessite un apport de 1,665 × 105 J d’énergie thermique.
Remarque
 donc et .

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