Enthalpie de changement d'état

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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 ou chaleur latente d'un corps pur est par définition la variation d'enthalpie qui accompagne le passage du système d'un état physique 1 à un état physique 2. L'enthalpie de changement d'état est dite molaire quand exprimée en joule/mol et dite massique lorsque rapportée en joule/kg. Notée le plus souvent L, elle 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.

Définition[modifier | modifier le code]

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. Par exemple, l'eau bout à 100 °C sous la pression d'une atmosphère ( 1 atm = 1 013,25 hPa). L'enthalpie de vaporisation de l'eau, égale à la quantité de chaleur fournie pour transformer l'eau liquide en vapeur, est de 2 257 kJ/kg. 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.

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. L est encore souvent appelée chaleur latente de changement d'état ; l'adjectif « latente » indiquant 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 (H) et d'entropie (S) du corps. Le changement 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 (voir enthalpie).

Pour un corps de masse m passant de l'état 1 à l'état 2 à la température  :

et

Où:

= Enthalpie de changement d'état massique exprimée en joule/kg
= Variation d'enthalpie en joule
= Variation d'entropie en joule/K
= Masse en kg
= Température en K

La variation d'un état 1 à un état 2 est toujours égal et inverse au passage de l'état 2 à l'état 1 :

Enthalpie de fusion[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Enthalpie de fusion.

L’enthalpie de fusion est l'énergie absorbée par transfert thermique par un corps lorsqu'il passe de l'état solide à l'état liquide à température et pression constantes. L’enthalpie de solidification est la transformation inverse de la précédente et relâche de l'énergie.

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 :

Où :

= Enthalpie de changement d'état massique exprimée en J/kg
= Variation d'entropie molaire lors de la fusion en J/(mol.K)
= Température de fusion en K
= Masse en kg

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 par absorption d'énergie. L’enthalpie de liquéfaction est la transformation inverse de la précédente et relâche de l'énergie.

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 est la transformation inverse de la précédente et relâche de l'énergie.

Utilisation[modifier | modifier le code]

Comme l'enthalpie de changement d'état, ou chaleur latente, représente une énergie relâchée (exothermique) ou absorbée (endothermique) lors du changement, elle est une quantité importante en chimie et en physique. En effet, elle doit être prise en compte pour évaluer les conditions dans lesquelles se produiront une expérience ou un procédé. Par exemple, un corps chauffé prend de l'expansion mais si la température de l'expérience se passe au point de fusion dans un bac de glace, une partie de l'énergie sera absorbée par le changement d'état de la glace à l'eau ce qui diminuera l'expansion[1].

La chaleur latente est aussi un concept largement utilisé en météorologie. Le flux d'énergie reçu à la surface de la Terre et absorbé par l’atmosphère terrestre sert à réchauffer l'air et à permettre l'évaporation de l'eau des mers dans la troposphère. De manière inverse, les mouvements verticaux de l'air permettent la condensation et la congélation de l'eau en nuages et en précipitations. Chaque changement d'état provoque l'absorption ou le relâchement de chaleur qu'il faut intégrer dans le bilan énergétique, ce qui influence la circulation atmosphérique. Le flux de chaleur latente est communément mesuré par le rapport de Bowen.

Quelques valeurs à pression atmosphérique[2][modifier | modifier le code]

Substance Chaleur latente
de fusion
kJ/kg
Point
de fusion
°C
Chaleur latente
de vaporisation
kJ/kg
Point
d'ébullition
°C
Ethanol 108,00 −114,00 855,00 78,30
Ammoniac 332,17 −77,74 1 369,00 −33,34
Dioxyde de carbone, CO2 184,00 −78,50 (sublimation[3]) 574,00 −56,70 (ébullition, à 5.1 atm[3])
Hélium     21,00 −268,93
Dihydrogène (2) 58,00 −259,00 455,00 −253,00
Plomb[4] 23,00 327,50 871,00 1 750,00
Diazote 25,70 −210,00 200,00 −196,00
Dioxygène 13,90 −219,00 213,00 −183,00
Réfrigérant R134a   −101,00 215,90 −26,60
Réfrigerant R152a   −116,00 326,50 -25,00
Toluène 72,10 −93,00 351,00 110,60
Térébentine     293,00  
Eau 334,00 0,00 2 264,76 100,00

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  • Jean-Marie Donnini et Lucien Quaranta, Dictionnaire de physique expérimentale, t. II, Sarreguemines, Éditions Pierron, coll. « Thermodynamique et Applications », (ISBN 2-7085-0168-2)

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) G.H. Bryan, Thermodynamics. An Introductory Treatise dealing mainly with First Principles and their Direct Applications, B.G. Tuebner, , p. 9, 20–22.
  2. D'après l'article en anglais
  3. a et b (en) « A phase diagram is a pressure-temperature graph that shows the ranges of temperature and pressure over which each phase is stable. », sur chegg.com (consulté le 2 février 2016).
  4. Yaws' Handbook of Properties of the Chemical Elements 2011 Knovel