Changements d'état et énergie thermique | 2nde Bac Pro | Physique-Chimie
La matière peut exister sous trois états : solide, liquide et gaz. Les changements d'état sont :
| Changement | De → vers | Énergie |
|---|---|---|
| Fusion | Solide → Liquide | Absorbe |
| Solidification | Liquide → Solide | Libère |
| Vaporisation | Liquide → Gaz | Absorbe |
| Condensation | Gaz → Liquide | Libère |
| Sublimation | Solide → Gaz | Absorbe |
Identifier le changement d'état dans chaque situation :
Dans un circuit de climatisation, le fluide frigorigène passe de l'état liquide à l'état gazeux dans l'évaporateur. Ce changement d'état absorbe-t-il ou libère-t-il de l'énergie ? Quel effet cela produit-il sur l'air soufflé dans la pièce ?
Le passage de liquide à gaz (vaporisation) absorbe de l'énergie. Cette énergie est prélevée à l'air de la pièce, ce qui refroidit l'air soufflé dans la pièce. C'est le principe de fonctionnement de la climatisation.
Un technicien en réfrigération explique que le condenseur d'un réfrigérateur chauffe. Quel changement d'état se produit dans le condenseur ? Ce changement absorbe-t-il ou libère-t-il de l'énergie ?
Dans le condenseur, le fluide frigorigène passe de l'état gazeux à l'état liquide : c'est une condensation. Ce changement d'état libère de l'énergie, ce qui explique que le condenseur (à l'arrière ou sous le réfrigérateur) chauffe.
Un diagramme de changement d'état représente la température en fonction du temps lors d'un chauffage ou refroidissement :
On chauffe de la glace depuis –20 °C. Le diagramme montre trois phases :
Le diagramme de chauffage du plomb montre un palier à 327 °C lors de la fusion. Que se passe-t-il à cette température ? Peut-on chauffer du plomb solide au-delà de 327 °C ?
À 327 °C, le plomb fond (changement d'état solide → liquide). La température reste constante à 327 °C tant que la fusion n'est pas complète, même si on continue de chauffer.
Non, on ne peut pas chauffer le plomb solide au-delà de 327 °C tant qu'il y a encore du solide : la chaleur fournie sert uniquement à faire fondre le plomb (chaleur latente), pas à l'échauffer.
Un diagramme de refroidissement de l'eau montre :
Identifier les états physiques de l'eau dans chacune des trois phases.
L'énergie mise en jeu lors d'un changement d'état (chaleur latente) est proportionnelle à la masse :
\[E = m \cdot L\]
avec :
Valeurs utiles pour l'eau : \(L_{fusion} = 334\,000\ \text{J/kg}\) ; \(L_{vaporisation} = 2\,260\,000\ \text{J/kg}\)
Calculer l'énergie nécessaire pour faire fondre entièrement 0,5 kg de glace à 0 °C. (\(L_{fusion} = 334\,000\ \text{J/kg}\))
\(E = m \cdot L = 0{,}5 \times 334\,000 = \mathbf{167\,000\ \text{J} = 167\ \text{kJ}}\)
Un technicien en climatisation calcule l'énergie absorbée lors de la vaporisation de 2 kg de fluide frigorigène R410A dont la chaleur latente de vaporisation est \(L = 200\,000\ \text{J/kg}\). Calculer cette énergie.
\(E = m \cdot L = 2 \times 200\,000 = \mathbf{400\,000\ \text{J} = 400\ \text{kJ}}\)
Un chaudronnier fait fondre de l'étain (point de fusion 232 °C, \(L_{fusion} = 58\,900\ \text{J/kg}\)). Il dispose de 5 kg d'étain solide. Calculer l'énergie nécessaire à la fusion complète.
\(E = m \cdot L = 5 \times 58\,900 = \mathbf{294\,500\ \text{J} \approx 295\ \text{kJ}}\)
On dispose de \(E = 1\,130\,000\ \text{J}\) pour vaporiser de l'eau à 100 °C (\(L_{vaporisation} = 2\,260\,000\ \text{J/kg}\)). Quelle masse d'eau peut-on vaporiser ?
\(m = \frac{E}{L} = \frac{1\,130\,000}{2\,260\,000} = \mathbf{0{,}5\ \text{kg}}\)
| Chaleur sensible | Chaleur latente | |
|---|---|---|
| Définition | Énergie pour changer la température | Énergie pour changer d'état |
| Température | Varie | Reste constante |
| Formule | \(Q = mc\Delta T\) | \(E = mL\) |
On chauffe 1 kg de glace depuis –10 °C jusqu'à 50 °C. La chaleur spécifique de la glace est \(c_{glace} = 2\,100\ \text{J/(kg·°C)}\), de l'eau \(c_{eau} = 4\,180\ \text{J/(kg·°C)}\), et \(L_{fusion} = 334\,000\ \text{J/kg}\).
Calculer l'énergie totale pour chaque étape :
Énergie totale = 21 000 + 334 000 + 209 000 = 564 000 J
Lors du chauffage d'un corps, on observe deux phases : la température monte de 20 °C à 80 °C puis reste à 80 °C pendant un certain temps. Identifier quelle grandeur physique est mise en jeu dans chaque phase.
Phase 1 (montée de 20 °C à 80 °C) : la température varie, c'est de la chaleur sensible — formule \(Q = mc\Delta T\).
Phase 2 (palier à 80 °C) : la température est constante malgré le chauffage, c'est de la chaleur latente — il y a un changement d'état — formule \(E = mL\).
On chauffe 500 g de glace depuis −10 °C jusqu'à obtenir de l'eau à 20 °C.
Données : \(c_{\text{glace}} = 2\,090\text{ J/(kg·°C)}\), \(c_{\text{eau}} = 4\,180\text{ J/(kg·°C)}\), \(L_f = 334\,000\text{ J/kg}\).
Les systèmes de réfrigération et de climatisation utilisent les changements d'état d'un fluide frigorigène :
Dans un réfrigérateur, le fluide frigorigène se vaporise dans l'évaporateur. Sa chaleur latente de vaporisation est \(L = 180\,000\ \text{J/kg}\). Le compresseur fait circuler 0,1 kg de fluide par minute.
Un technicien en climatisation calcule que le condenseur d'une installation libère \(Q = 5 \times 10^6\ \text{J}\) en une heure. La chaleur latente de condensation du fluide est \(L = 200\,000\ \text{J/kg}\). Calculer la masse de fluide qui se condense par heure.
\(m = \frac{Q}{L} = \frac{5 \times 10^6}{200\,000} = \mathbf{25\ \text{kg}}\)
25 kg de fluide frigorigène se condensent par heure dans le condenseur.
Une pompe à chaleur (PAC) prélève de l'énergie au sol à l'aide d'un fluide frigorigène. Le fluide se vaporise dans l'évaporateur souterrain, absorbant \(E = 3{,}6 \times 10^6\ \text{J}\) en 1 heure.