Chaleur Latente Spécifique

T'es-tu déjà demandé combien d'énergie est nécessaire pour faire bouillir de l'eau ? Si tu aimes cuisiner, tu dois savoir qu'il faudrait beaucoup de temps pour faire bouillir une casserole d'eau. Tu as peut-être entendu dire que l'eau bout à100°Cmais si tu mesures la température de l'eau lorsqu'elle commence à bouillonner, tu verras qu'elle est déjà à la température d'ébullition. Pourquoi ne s'est-elle pas déjà transformée en vapeur ? De plus, si tu laisses le thermomètre à l'intérieur de l'eau, tu verras qu' elle ne chauffe pas plus, même si le poêle est toujours allumé. Où va l'énergie ?

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    Il y a beaucoup de physique dans nos activités quotidiennes et parfois nous considérons ce qui se passe autour de nous comme normal sans y réfléchir . Si ces questions te font gratter la tête, il n'y a pas lieu de s'inquiéter. Tout cela peut te sembler un peu confus maintenant, mais la clé pour répondre à toutes les questions précédentes réside dans la façon dont la chaleur affecte l'énergie interne d'une substance. Nous allons expliquer la relation entre la chaleur fournie à un système et son énergie interne, et cela nous conduira au concept de chaleur latente spécifique.

    Chaleur et énergie interne

    L'énergie interne est la somme des énergies cinétiques et potentielles individuelles des particules (atomes ou molécules) qui composent un système.

    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.

    Chaleur latente spécifique un solide qui passe à l'état liquide StudySmarterLorsque 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.

    Chaleur latente spécifique un liquide qui passe à l'état de gaz StudySmarterLorsqu'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.

    Diagramme de chaleur latente spécifique température vs énergie pour l'eau avec changements d'état StudySmarterLorsque 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 °Celle 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 atteint100 °Ctoute 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 lat ente spécifique est la quantité d'énergie nécessaire pour changer l'état d'une substance sans en modifier la température.1 kgd'une substance sans changer sa température.

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

    L = Em

    specific latent heat = energymass

    étaientLest la chaleur latente spécifique,Eest l'énergie etmest 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(J)et la masse en kilogrammes(kg). Par conséquent, les unités de la chaleur latente spécifique sont les suivantes

    jouleskilograms=Jkg.

    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,Eest l'énergie en joules(J)la chaleur latente spécifiqueLest en joules par kilogrammeJkgetmla masse est en kilogrammes(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

    Lachaleur latente spécifique de fusion est l'énergie nécessaire pour faire passer une substance de l'état solide à l'état liquide à une température constante.

    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 de334,000 Jkg. Cela signifie que pour faire fondre un kilogramme de glace, il faut fournir334,000 Jmais si nous voulons congeler un kilogramme d'eau, nous devons lui soustraire334,000 J.

    Diagramme de la chaleur latente spécifique montrant l'énergie nécessaire pour faire passer l'eau de l'état solide à l'état liquide StudySmarterLa 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.

    SubstanceChaleur latente spécifique de fusion Jkg
    aluminium 396,000
    or63,000
    fer 247,000
    argent 105,000
    l'eau 334,000
    zinc112,000

    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 de0°Calors que l'or fond à1064°C.

    Calcule l'énergie nécessaire pour faire fondre8 kgde glace à0 °C.

    Puisque la masse est donnée et que la chaleur latente spécifique de fusion de l'eau est connue, nous pouvons calculer l'énergie à l'aide de l'équation introduite précédemment.

    E = Lm

    Maintenant, substituons les valeurs connues et simplifions.

    E = 8 kg ×334,000 Jkg=2,672,000 J

    Par conséquent, nous devons fournir2,672,000 Jd'énergie pour faire fondre la8 kgde glace.

    Les transitions d'états nécessitent beaucoup d'énergie. Mais, en particulier, l'eau est bien connue pour avoir une valeur de chaleur latente spécifique élevée. Cela signifie qu'un bloc de glace doit "absorber" beaucoup de chaleur de l'environnement pour fondre. Avant l'apparition des réfrigérateurs, les gens profitaient de cette propriété de l'eau et utilisaient de gros blocs de glace pour conserver les aliments, rafraîchir les boissons et créer des desserts glacés. Certains métiers consistaient à couper la glace des lacs gelés et à les livrer à domicile. C'est ce qu'on appelle la récolte de la glace.

    Chaleur latente spécifique récolte de glace StudySmarterL'industrie de la glace dépendait entièrement des conditions météorologiques, et de gros blocs de glace étaient obtenus à partir de lacs, de rivières et d'étangs gelés.


    Après la livraison, le bloc de glace était placé à l'intérieur de meubles spéciaux appelés "glacières".

    Chaleur latente spécifique Glacière avec aliments StudySmarterLesglacières servaient à isoler la glace et les marchandises de l'environnement, ce qui permettait de conserver les aliments et de refroidir les boissons.

    Comme la création de glace dépendait entièrement des conditions météorologiques, les anciens Perses ont mis au point une structure conique capable d'isoler la glace recueillie pendant l'hiver. De plus, comme l'air chaud est moins dense que l'air froid, la structure permettait également à l'air frais de descendre dans une fosse tandis que l'air chaud montait et était canalisé par sa forme pour être libéré à l'extérieur. Grâce à ces structures, la glace recueillie pendant l'hiver pouvait être conservée toute l'année !

    Un Yakhchāl, une structure persane conique qui permet de stocker de la glace StudySmarter.La forme conique aidait à canaliser l'air chaud vers l'extérieur, laissant l'air plus frais piégé à l'intérieur.Ce mécanisme, associé à l'isolation fournie, permet de conserver la glace pendant des mois.

    Chaleur latente spécifique de vaporisation

    La chaleur latente spécifique de vaporisation est l'énergie nécessaire pour faire passer une substance de l'état liquide à l'état gazeux à une température constante.

    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.

    SubstanceChaleur latente spécifique de vaporisation Jkg
    aluminium 10,900,000
    or1,645,000
    fer6,090,000
    argent 2,390,000
    eau2,256,000
    zinc1,890,000

    WASP-121 b est une planète située à 880 années-lumière de la Terre. Elle est si chaude que le fer s'évapore et forme des nuages. Cependant, pendant la nuit de la planète, la température baisse suffisamment pour qu'il pleuve du métal liquide. Considère un500 kgnuage de fer sur cette planète. Quelle quantité d'énergie le nuage doit-il donner pour qu'il puisse pleuvoir sous forme de fer liquide ?

    D'après le tableau précédent, nous pouvons voir que la chaleur latente spécifique de vaporisation du fer est de .6,090,000 Jkg. Substituons cette valeur et la masse connue dans l'équation de l'énergie et simplifions.

    E=mL

    E = 500 kg ×6,090,000 Jkg = 3,045,000,000 J

    Comme la quantité résultante est très grande, il est pratique de l'exprimer en utilisant la notation scientifique.

    3,045,000,000 J = 3.045 ×109 J

    Par conséquent, le nuage de fer doit libérer3.045×109 J dans l'atmosphère sous forme de chaleur pour pouvoir pleuvoir sous forme liquide.

    Chaleur latente spécifique - Principaux points à retenir

    • L'énergie interne d'un système est la somme des énergies cinétique et potentielle individuelles de ses particules (atomes ou molécules).
    • La température d'une substance est une mesure de l'énergie cinétique de ses particules ou molécules.
    • Lors d'un changement d'état, la température du système ne change pas . Tout apport d'énergie sert à rompre ou à modifier les liaisons des particules du système ou à les éloigner les unes des autres, ce qui permet de stocker de l'énergie potentielle.
    • La chaleur latente spécifique de fusion est l'énergie qu'il faut fournir à un kilogramme d'une substance pour qu'elle passe de l'état solide à l'état liquide, à température constante. Pour que la substance passe de l'état liquide à l'état solide, elle doit libérer la même quantité d'énergie dans l'environnement.
    • La chaleur latente spécifique de vaporisation est l'énergie qu'il faut fournir à un kilogramme d'une substance pour qu'elle passe de l'état liquide à l'état gazeux, à une température constante. Pour que la substance passe de l'état gazeux à l'état liquide, elle doit libérer la même quantité d'énergie dans l'environnement.
    • L'équation de la chaleur latente spécifique de fusion et de la chaleur latente spécifique de vaporisation est identique :E = Lm. Nous utilisons la chaleur latente spécifique de fusion ou de vaporisation en fonction du changement d'état qui a lieu.
    Questions fréquemment posées en Chaleur Latente Spécifique
    Qu'est-ce que la chaleur latente spécifique ?
    La chaleur latente spécifique est l'énergie nécessaire pour changer un kilogramme d’une substance de phase sans changer sa température.
    Comment calcule-t-on la chaleur latente spécifique ?
    Pour calculer la chaleur latente spécifique, divisez la quantité de chaleur ajoutée ou retirée (en joules) par la masse de la substance (en kg).
    Pourquoi la chaleur latente est-elle importante ?
    La chaleur latente est importante car elle explique les changements de phase de la matière, essentiels pour comprendre des phénomènes naturels et technologiques.
    Quelle est la différence entre chaleur latente et chaleur sensible ?
    La chaleur latente change la phase de la matière sans changer la température, tandis que la chaleur sensible change la température sans changer la phase.

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