Variation de température et transformation physique par transfert thermique
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• Un liquide est constitué de molécules glissant les unes sur les autres. Ces molécules interagissent entre elles par liaisons hydrogène (exemple de l’eau) ou liaisons de van der Waals. Ces liaisons se font et se défont sans cesse, mais assurent la cohésion compacte du liquide. De hautes températures font que les molécules sont plus mobiles qu’à basses températures et vibrent. Les liaisons sont alors plus éphémères.
• Un solide cristallin est formé par des atomes ou molécules (pour solide moléculaire) liés entre eux par des liaisons chimiques stables. A très basses températures, les atomes/molécules sont immobiles. Dès que la température s’élève, ils vibrent. Plus la température augmente, plus les vibrations sont importantes, mais les atomes/molécules restent proches de leur position d’équilibre.
Globalement, une élévation de température augmente l’agitation thermique des constituants (atomes, molécules) d’un corps. On parle d’énergie microscopique.
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Au niveau microscopique, un passage de l’état solide à l’état liquide s’accompagne d’une rupture des liaisons entre molécules, qui sont alors libres de se déplacer dans le liquide. Cependant, elles ne le quittent pas, car des liaisons hydrogènes ou van der Waals les en empêchent.
Un passage d’un état liquide à un état gazeux correspond à une rupture de ces liaisons de basses énergies. Les molécules n’ont alors plus de lien entre elles et quittent le liquide pour former la phase aqueuse.
La sublimation est un changement d’état où les liaisons chimiques assurant la cohésion du solide sont rompues et aucune autre liaison n’existe alors entre les atomes/molécules qui passent directement en phase gazeuse. La sublimation est rare à pression ambiante, sauf pour la neige carbonique. Pour l’eau, la sublimation n’est possible qu’à très basses pressions (comètes).
Les autres changements d’état correspondent aux opérations inverses de ce que nous venons de décrire.
L’unité légale pour exprimer une énergie est le Joule. Cependant, une unité usuelle encore rencontrée (en nutrition) est la calorie. Une kilocalorie, notée aussi Calorie (attention à la majuscule), vaut environ 4,184 kJ.
L’unité de température est le kelvin (K). Une température T en kelvin est reliée à une température
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La relation est valable tant que le corps ne subit pas de changement d’état physique. La quantité de chaleur Q est en Joule.
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Il est courant d’utiliser la capacité thermique massique c :
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c désigne l’énergie qu’il faut apporter à un kilogramme du corps pour élever sa température d’un kelvin. Elle s’exprime en
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On emploie aussi la capacité thermique molaire
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Remarque : Une variation d’un kelvin est égale à une variation d’un degré Celsius. On peut donc exprimer dans
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Lorsqu’un liquide est à sa température d’ébullition, l’énergie thermique Q à fournir au liquide de masse m afin de le faire passer en phase gazeuse est donnée par la relation :
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La relation sera utilisée à pression constante (pression atmosphérique). La constante
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De la même manière, la chaleur latente de fusion
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Naturellement, il existe aussi la chaleur latente de sublimation
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Remarque : On peut également raisonner avec des chaleurs latentes molaires.
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Cette enceinte est isolée thermiquement pour minimiser les échanges thermiques avec le milieu environnant. Dans une manipulation, on détermine au préalable la capacité thermique C du calorimètre pour l’inclure dans les calculs.
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où
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NB : pour ce calcul, le système a été considéré comme totalement isolé, ce qui n’est jamais totalement réalisé.
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En conséquence :
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D’où on tire
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Application numérique :
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Une élévation de température augmente l’agitation thermique des constituants (atomes/molécules) de la matière. La variation d’énergie thermique Q est reliée à la variation de température
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La constante C est la capacité thermique du corps étudié, sous un certain état physique. On introduit alors la capacité thermique massique
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La chaleur latente de vaporisation
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Une énergie reçue par un système physique est comptée positivement, une énergie cédée est comptée négativement. Lorsque deux corps sont mis en présence dans une enceinte isolée thermiquement (calorimètre), il y a équilibre thermique lorsque les quantités de chaleur échangées
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