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changement d'état de la matière

Il existe trois états / phases de la matière, à savoir le solide, le liquide et le gaz. La même matière peut exister dans les trois phases sous différentes conditions de température et de pression. Par exemple, la glace (solide) à 0 ° lorsqu'elle est chauffée devient de l'eau (liquide) à 0 ° C, qui, lors d'un chauffage supplémentaire, se transforme en vapeur (gaz) à 100 ° C. Ainsi, à une pression atmosphérique, l'eau se trouve dans les trois phases à des températures différentes.

Le processus de passage d'un état à un autre à température constante s'appelle le changement de phase . Il est apporté en raison de l'échange de chaleur.
Le passage de la phase solide à la phase liquide est appelé fusion , tandis que le passage inverse du liquide au solide est appelé congélation. Le passage du liquide à la vapeur est appelé vaporisation, tandis que le passage inverse du gaz au liquide est appelé condensation (ou liquéfaction). Le passage direct du solide à la vapeur est appelé sublimation et le passage inverse de la vapeur au solide est appelé dépôt.

FONDATION ET CONGÉLATION

Le passage de la phase solide à la phase liquide par absorption de chaleur à température constante est appelé fusion. Le température constante à laquelle un solide se transforme en liquide s'appelle le point de fusion du solide. Le passage inverse de la phase liquide à la phase solide avec dégagement de chaleur à température constante est appelé congélation et la température à laquelle un liquide gèle en solide est appelée son point de congélation. L'énergie calorifique est absorbée lors de la fusion et rejetée lors de la congélation à température constante.

La courbe de chauffe de la glace lors de la fonte

Regardez le graphique ci-dessus. La température de la glace reste constante égale à 0 °C dans la partie AB jusqu'à ce que toute la glace fonde. La chaleur fournie pendant ce temps est utilisée pour faire fondre la glace. Après cela, la température de l'eau formée par la fonte de la glace commence à monter à partir de 0 °C (partie BC).

VAPORISATION OU ÉBULLITION

Le passage de la phase liquide à la phase gazeuse (ou vapeur) lors de l'absorption de chaleur à température constante est appelé vaporisation. La température particulière à laquelle la vaporisation se produit est appelée le point d'ébullition du liquide. De même, le passage de la phase vapeur à la phase liquide lors de la libération de chaleur à une température constante est appelé condensation et la température particulière à laquelle la condensation se produit est appelée point de condensation de la vapeur.
L'énergie thermique est absorbée à une température constante lors de la vaporisation, tandis que la même quantité d'énergie thermique est libérée lors de la condensation à cette température pour la même masse de la substance.

La courbe de chauffe de l'eau

Au point A, l'eau est à température ambiante (20°C) puis avec l'absorption d'énergie calorifique, la température de l'eau monte continuellement dans la partie AB où elle est à l'état liquide. Au point B, l'ébullition commence et la température n'augmente plus dans la partie BC, l'énergie thermique est continuellement absorbée et représente l'ébullition de l'eau, B étant le point d'ébullition de l'eau.

Pourquoi rajoute-t-on du sel lors de la cuisson des légumineuses ? Ceci est basé sur le fait que l'ajout d'impuretés augmente le point d'ébullition de l'eau. On rajoute du sel pendant la cuisson des légumineuses, l'eau apporte alors suffisamment d'énergie calorifique à son contenu avant l'ébullition et ainsi la cuisson devient plus facile et plus rapide. Pourquoi faut-il plus de temps pour cuire les aliments dans les collines que dans les plaines ? Ceci est basé sur le fait que le point d'ébullition diminue avec une diminution de la pression. À haute altitude comme les collines ou les montagnes, la pression atmosphérique est faible, donc à ces endroits, l'eau bout à une température inférieure à 100 °C et ne fournit donc pas l'énergie thermique nécessaire à son contenu pour la cuisson. Ainsi, la cuisson prend beaucoup plus de temps dans de tels endroits.

CHALEUR LATENTE ET CHALEUR LATENTE SPÉCIFIQUE

Lors du changement de phase d'une substance qui s'effectue à température constante, une quantité considérable d'énergie calorifique est absorbée ou libérée.   Étant donné que l'énergie thermique absorbée ou libérée lors d'un changement de phase ne se manifeste pas extérieurement par une élévation ou une baisse de température, elle est appelée chaleur latente.
La chaleur latente, lorsqu'elle est exprimée pour une unité de masse d'une substance, est appelée chaleur latente spécifique et est désignée par le symbole L.

L'unité SI de la chaleur latente spécifique est J kg ^-1 , les autres unités courantes sont cal g ^-1 .
1 cal g ^-1 = 4,2 × 10 ³ J kg ^-1

La chaleur de fusion est l'énergie thermique qui doit être retirée pour solidifier une certaine masse ou quantité de fluide ou ajoutée pour faire fondre une certaine masse ou quantité de solide. Elle est aussi appelée chaleur latente de fusion. La chaleur latente de vaporisation est la chaleur consommée ou évacuée lorsque la matière se désintègre, passant de l'état fluide à l'état gazeux à une température constante.
La chaleur latente spécifique de fusion de la glace est l'énergie thermique nécessaire pour faire fondre une unité de masse de glace à 0 °C en eau à 0 °C sans aucun changement de température. La chaleur latente spécifique de congélation de la glace est l'énergie thermique libérée/libérée lorsqu'une unité de masse d'eau à 0 °C gèle en glace à 0 °C sans aucun changement de température. Pour la glace, la chaleur latente spécifique de fusion est de 336 000 J kg ^-1 , ce qui signifie qu'1 kg de glace à 0 °C absorbe 336 000 J d'énergie thermique pour se transformer en eau à 0 °C. Pour la vaporisation, il s'agit de la quantité de chaleur (540 cal g ⁻¹ ) censée changer sur 1 g d'eau en 1 g de vapeur d'eau. Une mesure similaire de chaleur est libérée lors du déplacement de l'étage lors de l'accumulation de 1 g de vapeur d'eau pour 1 g d'eau.

Explication de la chaleur latente de fusion sur la base du modèle cinétique
Selon le modèle cinétique, les molécules d'un solide vibrent autour de leur position moyenne. L'énergie totale d'une molécule est la somme de l'énergie cinétique (qui dépend de la température) due à son mouvement et de son énergie potentielle (qui dépend de la force d'attraction entre les molécules et de la séparation entre elles). Lorsque le solide se transforme en liquide sans changement de température, la cinétique moyenne des molécules ne change pas mais la séparation entre les molécules augmente en moyenne. Une certaine énergie est nécessaire pour augmenter la séparation contre les forces d'attraction entre les molécules (c'est-à-dire pour l'augmentation de l'énergie potentielle des molécules). Ainsi, l'énergie thermique fournie lors de la fusion n'est utilisée que pour augmenter l'énergie potentielle des molécules et est appelée chaleur latente de fusion.

Exemples

• La neige sur les montagnes ne fond pas d'un coup : la raison en est que la glace a une chaleur latente spécifique de fusion élevée (336 000 J kg ^-1 ). Il se transforme lentement en eau à mesure qu'il reçoit l'énergie thermique du soleil. Si la chaleur latente avait été faible, toute la neige aurait fondu en peu de temps en recevant la chaleur du soleil et il y aurait eu des inondations dans les rivières.
• Dans les pays froids, l'eau des lacs et des étangs ne gèle pas d'un coup : la raison en est que la chaleur spécifique latente de fusion de la glace est suffisamment élevée, de sorte que l'eau des lacs et des étangs devra libérer une grande quantité de chaleur pour l'environnement avant de geler. La couche de glace formée à la surface de l'eau étant un mauvais conducteur de chaleur empêchera également la perte de chaleur de l'eau du lac, elle ne gèle donc pas d'un coup.
• Les boissons se refroidissent plus rapidement en ajoutant un morceau de glace que l'eau glacée à 0 °C : En effet, 1 gramme de glace à 0 °C prend 336 J d'énergie thermique de la boisson pour fondre dans l'eau à 0 °C. C Ces boissons libèrent 336 J d'énergie thermique supplémentaires pour 1 gramme de glace à 0 °C, par rapport à 1 gramme d'eau glacée à 0 °C.

• La transpiration provoque un refroidissement : La transpiration est une fonction corporelle vitale qui aide à réguler la température de votre corps. Lorsqu'il fait chaud ou que la température de votre corps augmente en raison de l'exercice ou de la fièvre, la sueur est libérée par les conduits de votre peau. Il contient 90% d'eau. Les gouttes de sueur présentes sur votre corps utilisent la chaleur du corps pour la transition de phase du liquide à la vapeur. Il en résulte un effet de refroidissement qui aide à maintenir la température corporelle et refroidit le corps.
• Soyez toujours prudent lorsque vous ouvrez le couvercle d'une casserole lorsque l'eau qu'elle contient est en ébullition : l'eau a une grande chaleur spécifique latente de vaporisation. Lorsque la vapeur se condense sur la peau de votre bras, une très grande quantité de chaleur latente est libérée, ce qui provoque de graves brûlures.

Question 1 : Quelle quantité d'énergie thermique est nécessaire pour faire fondre 10 kg de glace ? (Chaleur latente spécifique de la glace = 336 J g ^-1 )
Solution : m = 10 kg, L = 336 J g ^-1
Énergie calorifique requise = mL = 10000 × 336 = 3360000 J

Question 2 : La température de 250 grammes d'eau à 40 °C est abaissée à 0 °C en y ajoutant de la glace. Trouver la masse de glace ajoutée. (La chaleur latente spécifique de la glace est de 336 J g ^-1 et la capacité thermique spécifique de l'eau est de 4,2 J g ^-1 K ^-1 )
Solution : Énergie calorifique perdue par l'eau = énergie calorifique gagnée par la glace
La chute de température est de 40 − 0 = 40 °C.
Chaleur perdue par l'eau = m⋅c⋅Δt = 250 × 4,2 × 40 = 42000 J
Chaleur gagnée par la glace = 42000 = masse de glace × 336 ⇒ masse de glace = 42000 ∕ 336 = 125 g

Question 3 : 10125J d'énergie thermique font bouillir 4,5 g d'eau à 100°C pour produire de la vapeur à 100°C, trouvez la chaleur latente de la vapeur en unités SI.
Solution : Chaleur latente de la vapeur L = 10125 J ∕ (4,5 × 10 ^-3 ) kg = 2250 × 10 ³ J∕kg