Enthalpie de changement d'état

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L'enthalpie de changement d'état d'un corps pur est par définition la variation d'enthalpie \Delta H = H2 - H1 qui accompagne le passage du système d'un état physique 1 à un état physique 2. On définit l'enthalpie de changement d'état molaire ou massique.

Évolution de l'enthalpie H d'un système au cours de ses changements d'état (l'axe est orienté dans le sens des H croissantes)

L'enthalpie de changement d'état, molaire exprimée en J/mol ou massique exprimée en J/kg, notée L, est la quantité d'énergie nécessaire à l'unité de quantité de matière (mole) ou de masse (kg) d'un corps pur pour qu'il change d'état, cette transformation ayant lieu à pression constante. Par exemple pour le passage de l'état liquide à l'état de vapeur on parlera d'enthalpie de vaporisation.

L'enthalpie échangée lors du changement d'état résulte de la modification (rupture ou établissement) de liaisons interatomiques ou intermoléculaires. Il existe trois états physiques principaux pour tout corps pur: l'état solide, l'état liquide et l'état gazeux. Les liaisons sont plus fortes dans l'état solide que dans l'état liquide et ces liaisons sont quasi-absentes dans l'état gazeux. Il existe un quatrième état obtenu à très haute température où la matière se trouve sous la forme d'un plasma d'ions et d'électrons.

Par exemple, l'eau bout à 100 °C sous la pression d'1 atmosphère ( 1atm = 101325 Pascal). L'enthalpie de vaporisation de l'eau, égale à la quantité de chaleur fournie pour transformer l'eau liquide en vapeur, est de 2257 kJ/kg.

Le changement d'état s'effectuant à pression p constante, la quantité d'énergie échangée avec le milieu extérieur lors du passage de l'état 1 à l'état 2 est Q_{p1,2} = \Delta H_{1,2} (voir enthalpie). Q_{p1,2} est encore parfois appelée chaleur latente de changement d'état ; l'adjectif « latente » indique que cette quantité est « cachée » avant d'être absorbée ou dégagée lors du changement d'état. À l'expression « chaleur latente de changement d'état  » (molaire ou massique), on préfère aujourd'hui celle d'« enthalpie de changement d'état » (molaire ou massique), le terme de chaleur étant réservé au transfert d'énergie (transfert d'énergie thermique ou transfert thermique).

Changement d'état[modifier | modifier le code]

Au cours d'un changement d'état d'un corps pur, il y a une variation d'enthalpie et d'entropie du corps. Par exemple pour un corps de masse m passant de l'état 1 à l'état 2 à la température T_0

\Delta H_{1,2}=mL_{1,2} et \Delta S_{1,2}=\frac{mL_{1,2}}{T_0}
\ L_{1,2} Enthalpie de changement d'état massique exprimée en J/kg
\Delta H_{1,2} Variation d'enthalpie en J
\Delta S_{1,2} Variation d'entropie en J/K
m masse en kg
T_0 Température en K

L'enthalpie de changement d'état massique de fusion des métaux est comprise entre 4 et 16 kJ/kg, sauf rare exception. Cette règle permet de connaître une valeur approchée de l'enthalpie de fusion, connaissant la température de fusion :

\ L_f = \frac{T_f. \Delta s_f}{m}

\ L_f enthalpie de changement d'état massique exprimée en J/kg

\ \Delta s_f variation d'entropie molaire lors de la fusion en J/(mol.K)

\ T_f température de fusion en K

\ m masse en kg

Enthalpie de fusion[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Enthalpie de fusion.

L'enthalpie de fusion est l'énergie absorbée par chaleur par un corps lorsqu'il passe de l'état solide à l'état liquide à température et pression constantes.

L'enthalpie de solidification (transformation inverse de la précédente) est l'opposée de l'enthalpie de fusion :

\Delta H (solidification) = - \Delta H (fusion)

Enthalpie de vaporisation[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Enthalpie de vaporisation.

L'enthalpie de vaporisation d'un composé chimique est la différence d'enthalpie mise en jeu lors de la vaporisation d'une mole de ce composé.

L'enthalpie de liquéfaction (transformation inverse de la précédente) est l'opposée de l'enthalpie de vaporisation :

\Delta H (liquéfaction) = - \Delta H (vaporisation)

Enthalpie de sublimation[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Enthalpie de sublimation.

L'enthalpie de sublimation, anciennement chaleur latente de sublimation, est l'énergie absorbée par chaleur par un corps lorsqu'il passe de l'état solide à l'état gazeux à température et pression constantes.

L'enthalpie de déposition (transformation inverse de la précédente) est l'opposée de l'enthalpie de sublimation :

\Delta H (déposition) = - \Delta H (sublimation)

Histoire[modifier | modifier le code]

On nommait autrefois chaleur latente cette grandeur, en référence à la vision substantialiste de la chaleur (considérée comme un fluide, une substance, immatérielle) qui était largement répandue jusqu'au XIXe siècle avec notamment les travaux de Joseph Fourier sur cette dernière.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

"Carburants et moteurs", J-C Guibet, Publication de l'Institut Français du Pétrole, ISBN 2-7108-0704-1

"Dictionnaire de physique expérimentale Quaranta", Tome II, Thermodynamique et Applications, Éditions Pierron, 1997, ISBN 2-7085-0168-2