Chaleur Latente Spécifique

Chaleur et énergie interne

La température d'un système est une mesure de l'énergie cinétique de ses particules. Elle dépend uniquement de la vitesse à laquelle elles se déplacent ou vibrent. En revanche, l'énergie potentielle du système dépend de la façon dont les particules sont liées entre elles, et elle est donc liée à l'état du système. Lorsque nous chauffons une substance, nous lui fournissons de l'énergie, mais cela peut se produire de deux façons :

1. En augmentant la température du système. Les particules qui composent le système gagnent en énergie cinétique, se déplacent plus rapidement et entraînent une augmentation de la température du système. C'est ce qui arrive aux atomes de fer d'une casserole lorsqu'elle est chauffée sur une cuisinière, au niveau atomique.

2. Changer l'état du système. L'énergie fournie peut également être utilisée pour rompre ou modifier les liens entre les particules du système. En général, cela permet aux particules de s'éloigner les unes des autres, ce qui augmente l'énergie potentielle stockée dans le système et aboutit à un nouvel état. C'est ce qui se produit généralement lorsque les solides fondent.

Lorsque le changement d'état se produit, l'énergie potentielle des particules augmente.

De même, lorsque la substance bout, les liaisons intermoléculaires se brisent à nouveau, elle devient un gaz. Lorsqu'une substance est à l'état de gaz, ses molécules essaient de rester le plus possible éloignées les unes des autres.

Lorsqu'un liquide devient un gaz, ses particules ont tendance à rester le plus loin possible les unes des autres.

Garde à l'esprit que dans les deux cas, l'énergie interne augmente car elle est la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle. Par conséquent, tant que l'une d'entre elles augmente, leur somme augmente également. Maintenant que nous comprenons comment, il est essentiel de comprendre à quel moment chacune de ces énergies augmente lorsque nous chauffons notre système :

• Tant que le système reste dans le même état, son énergie potentielle ne changepas. Seule l'énergie cinétique augmente, et donc sa température.

• Lors d'un changement d'état, toute l'énergie est utilisée pour rompre ou modifier les liaisons entre les particules du système et augmenter leur séparation. Commel'énergie cinétique des particules ne change pas, la température du système reste constante pendant un changement d'état.

Le graphique ci-dessous montre comment la température d'un kilogramme d'eau change lorsqu'on lui fournit de l'énergie.

Lorsque l'eau change d'état, la température reste la même même même si l'on fournit plus d'énergie. C'est ce que représentent les lignes plates. En revanche, lorsqu'il n'y a pas de transition d'état, l'énergie est utilisée pour augmenter la température de l'eau, comme le représentent les segments de ligne bleue avec un gradient positif. Enrique Vizcarra Carrazco - StudySmarters Originals

Jette un coup d'œil à la partie centrale du graphique, où l'eau est liquide. À mesure que l'énergie est fournie, sa température continue d' augmenter jusqu'à ce qu'elle atteigne une valeur critique pour la transition d'état suivante - la vaporisation . Même lorsque l'eau a atteint sa température d'ébullition,$100°\text{C}$elle a encore besoin d'énergie pour passer de l'état liquide à l'état gazeux. C'est pourquoi, lorsque nous chauffons de l'eau à cette température, elle ne se transforme pas en vapeur d'un seul coup. De plus, une fois que l'eau a atteint$100°\text{C}$toute l'énergie est utilisée pour la transformer en vapeur, ce qui maintient la température constante.

Génial ! Avec toutes ces informations, nous avons une bonne compréhension de la façon dont la chaleur affecte un système. Nous avons déjà résolu la plupart des questions posées au début de cet article, à l'exception d'une seule : quelle quantité d'énergie est exactement nécessaire pour faire bouillir de l'eau ? On peut répondre à cette question en introduisant le concept de chaleur latente spécifique.

Définition et formule de lachaleur latente spécifique

La chaleur latente spécifique varie d'une substance à l'autre. Elle peut être déterminée expérimentalement à l'aide de la formule suivante

$L=\frac{E}{m}$

$\text{specific latent heat =}\frac{\text{energy}}{\text{mass}}$

étaient$L$est la chaleur latente spécifique,$E$est l'énergie et$m$est la masse.

Unités de chaleur latente spécifique

Comme l'indique la formule précédente, la chaleur latente spécifique est obtenue comme le rapport entre l'énergie nécessaire à la transition d'état et la masse. Par conséquent, elle a des unités dérivées obtenues en divisant les unités d'énergie par les unités de masse. Dans le SI, l'énergie est mesurée en joules$\text{(J)}$et la masse en kilogrammes$\text{(kg)}$. Par conséquent, les unités de la chaleur latente spécifique sont les suivantes

$\frac{\text{joules}}{\text{kilograms}}=\frac{\text{J}}{\text{kg}}$.

Équation de la chaleur latente spécifique

Si la chaleur latente spécifique et la masse d'une substance sont connues, nous pouvons calculer la quantité de chaleur nécessaire au changement d'état en utilisant l'équation de la chaleur latente spécifique avec l'énergie isolée.

$E=Lm$

Dans l'équation ci-dessus,$E$est l'énergie en joules$\text{(J)}$la chaleur latente spécifique$L$est en joules par kilogramme$\left(\frac{\text{J}}{\text{kg}}\right)$et$m$la masse est en kilogrammes$\text{(kg)}$. Si l'on considère les états : solide, liquide et gazeux, on peut avoir deux transitions différentes. Par conséquent, nous avons deux valeurs différentes pour la chaleur latente spécifique à considérer.

Chaleur latente spécifique de fusion

Il est important de mentionner que la même quantité d'énergie doit être libérée par le système pour passer de l'état liquide à l'état solide. Par exemple, la chaleur latente spécifique de fusion de l'eau est de$334,000\frac{\text{J}}{\text{kg}}$. Cela signifie que pour faire fondre un kilogramme de glace, il faut fournir$334,000\text{J}$mais si nous voulons congeler un kilogramme d'eau, nous devons lui soustraire$334,000\text{J}$.

La chaleur latente spécifique de fusion de l'eau nous indique la quantité d'énergie que nous devons fournir pour faire fondre un kilogramme de glace. Inversement, nous pouvons congeler un kilogramme d'eau en lui soustrayant la même quantité d'énergie. Originaux de StudySmarter

Rappelle que pour que la transition se produise, la substance doit être à sa température de fusion. Le tableau suivant indique la chaleur latente spécifique de fusion de certaines substances.

Tu seras peut-être surpris de constater que l'eau a besoin de plus d'énergie pour fondre que la plupart des autres substances représentées. Cependant, note que la chaleur latente spécifique de fusion n'a rien à voir avec la température de fusion ! Par exemple, pour faire fondre un kilogramme d'eau, il faut environ cinq fois plus d'énergie que pour faire fondre un kilogramme d'or. Cependant, la température à laquelle l'eau fond est de$0°\text{C}$alors que l'or fond à$1064°\text{C}$.

Chaleur latente spécifique de vaporisation

Pour un changement d'état de gaz à liquide, l'énergie doit être soustraite de la substance au lieu d'être ajoutée. Le tableau suivant présente quelques exemples de substances et leur chaleur latente spécifique de vaporisation.