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Les transferts thermiques lors d'un changement d'état

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Objectifs

Connaitre les termes exothermique et endothermique.
Connaitre le signe d’une énergie thermique suivant le sens du transfert.
Identifier le sens du transfert thermique lors d’un changement d’état et le relier au terme exothermique ou endothermique.

Points clés

Une transformation est dite exothermique si elle s’accompagne d’une libération d’énergie thermique.
C’est le cas des changements d’état dans lesquels les molécules deviennent moins agitées : solidification, liquéfaction et condensation.
Inversement, une transformation est dite endothermique lorsqu’elle nécessite un apport d’énergie pour se réaliser.
C’est le cas des changements d’état dans lesquels les molécules deviennent plus agitées : fusion, vaporisation et sublimation.

Pour bien comprendre

Les changements d’état de la matière et interprétations microscopiques

1. Les transferts thermiques

a. Transformations exothermiques et endothermiques

Il existe des transformations (physiques ou chimiques) qui s’accompagnent d’échanges d’énergie avec le milieu extérieur. Cette énergie peut être thermique, lumineuse, électrique, etc.

Une transformation est dite exothermique si elle s’accompagne d’une libération d’énergie thermique (de chaleur).

Cette chaleur libérée conduit à une augmentation de la température du système.

Exemple
Les réactions de combustion sont des réactions exothermiques car elles s’accompagnent d’un dégagement de chaleur.

Inversement, une transformation est dite endothermique lorsqu’elle nécessite un apport d’énergie pour se réaliser.

Exemple
Faire bouillir de l’eau est une réaction endothermique car il est nécessaire de chauffer l’eau et donc de fournir de l’énergie pour que la vaporisation ait lieu.

Une transformation qui n’est ni exothermique, ni endothermique est dite athermique.

Exemple
La dissolution du sel (chlorure de sodium) dans l’eau est athermique car il n’y a ni dégagement, ni absorption de chaleur lorsque les ions Cl⁻ et Na⁺ se dispersent dans l’eau.

b. L'énergie thermique

L’énergie thermique, notée Q, se mesure en joule (J).

L’énergie thermique est une grandeur algébrique (avec un signe).

Le signe d’une énergie thermique dépend du sens du transfert, selon la convention suivante.

L'énergie thermique est négative

Q < 0 si la transformation est exothermique.

Une énergie thermique négative signifie que le système libère de la chaleur.

Transfert thermique d’une transformation exothermique

L'énergie thermique est positive

Q > 0 si la transformation est endothermique.

Une énergie thermique positive signifie que le système capte de la chaleur.

Transfert thermique d’une transformation endothermique

2. Les transferts thermiques lors de changements d'état

a. Les états physiques de la matière

Les trois états physiques de la matière correspondent à des dispositions différentes des entités (atomes, molécules ou ions).

L’état solide correspond à une disposition ordonnée et compacte des entités.

Les entités ne se déplacent pas mais vibrent sur place.

Modélisation
de l’état solide

L’état liquide correspond à une disposition désordonnée et compacte des entités.

Les entités glissent les unes sur les autres.

Modélisation
de l’état liquide

L’état gazeux correspond à une disposition désordonnée et agitée des entités.

Les entités ne sont pas en contact les unes avec les autres mais peuvent s’entrechoquer.

Modélisation
de l’état gazeux

b. Quel transfert d'énergie selon le changement d'état ?

Pour augmenter l’agitation des entités, il faut fournir de l’énergie thermique.
Inversement, pour diminuer l’agitation des entités, celles-ci doivent céder de l’énergie.

Les changements d’état endothermiques

Un changement d’état dans lequel l’agitation des entités augmente est endothermique, car le système reçoit de l’énergie.

Les changements d’état endothermiques sont la fusion, la vaporisation et la sublimation.

Changements d’état endothermiques

Les changements d’état exothermiques

Un changement d’état dans lequel l’agitation des entités diminue est exothermique, car le système cède de l’énergie.

Les changements d’état exothermiques sont la solidification, la liquéfaction et la condensation.

Changements d’état exothermiques

Remarque
Les systèmes réfrigérants (réfrigérateurs, climatiseurs, etc.) exploitent le fait qu’en vaporisant un liquide (liquide frigorigène), le système capte de l’énergie à l’extérieur et donc le refroidit.

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