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11.12 : Courbes de température de changement d'état

Le chauffage ou le refroidissement d'une substance entraîne des changements de température, suivi par des changements de phase. Le chauffage d'une substance augmente l'énergie thermique de ses molécules, qui se traduit par une élévation de température jusqu'à ce qu'il atteigne un point de transition. Lorsque la substance a absorbé suffisamment de chaleur, les forces d'attraction entre ses molécules sont surmontés, conduisant à une transition de phase à température constante.

Une fois la transition terminée, le chauffage entraîne à nouveau une élévation de température. Lorsque la chaleur est retirée de la substance, la diminution de l'énergie thermique de ses molécules correspond à une baisse de température, jusqu'à ce qu'il atteigne un point de transition. Ensuite, la température reste constante à mesure que des forces intermoléculaires plus fortes sont rétablies pendant le changement de phase.

Le comportement d'une substance en réponse aux changements de température modélisable à l'aide de courbes de chauffe ou courbes de refroidissement, où le changement de température est tracé en fonction de la chaleur ajoutée ou de la chaleur évacuée. Considérons un bécher rempli de glaçons, initialement à 20 degrés Celcius. À mesure que la chaleur entre, la température de la glace augmente régulièrement.

La quantité de chaleur absorbée lors du réchauffement de la glace dépend de la capacité thermique spécifique de la glace. Une fois le point de fusion de la glace atteint, la température cesse d'augmenter malgré l'écoulement continu de chaleur. Les effets de la chaleur absorbée affaiblissent les forces intermoléculaires jusqu'à ce que la glace fond complètement en eau liquide.

Le plateau de l'équilibre solide-liquide est caractéristique de la transition de phase à température constante. Le changement d'enthalpie entre le début et la fin du plateau indique le montant de chaleur nécessaire au processus de fusion, ou en d'autres termes, l'enthalpie de fusion de l'eau. Une fois le processus de fusion terminé, la chaleur absorbée entraîne une élévation linéaire correspondante en température.

La capacité thermique spécifique de l'eau dicte la quantité de chaleur absorbée. Au point d'ébullition, la température cesse d'augmenter. La chaleur absorbée contribue à la place pour surmonter les forces d'attraction entre les molécules d'eau jusqu'à ce que l'eau se vaporise complètement.

Le plateau de l'équilibre liquide-gaz représente la transition de phase à température constante. Le changement d'enthalpie entre le début et la fin du plateau est l'enthalpie de vaporisation de l'eau. Une fois que tout le liquide s'est transformé en vapeur, la chaleur supplémentaire entraîne à nouveau une augmentation de la température.

Lorsqu'une substance, isolée de son environnement, est soumise à des variations de chaleur, les changements correspondants de la température et de la phase de la substance sont observés, ce qui est représenté graphiquement par des courbes d'échauffement et de refroidissement.

Par exemple, l'ajout de chaleur augmente la température d'un solide ; la quantité de chaleur absorbée dépend de la capacité thermique du solide (q = mc_solideΔT). Selon la thermochimie, la relation entre la quantité de chaleur absorbée ou libérée par une substance, q, et le changement de température qui l'accompagne, ΔT, est :

Eq1

où m est la masse de la substance, et c est sa chaleur spécifique. La relation s'applique à la matière qui est chauffée ou refroidie, mais qui ne change pas d'état.

Lorsque la température est suffisamment élevée, le solide commence à fondre (figure 1, point A). La chaleur absorbée dépend de la capacité thermique du solide (q = mc_solideΔT), et un plateau est observé à son point de fusion. Le plateau indique un changement d'état de solide à liquide, pendant lequel la température n'augmente pas en raison de la chaleur de fusion (q = mΔH_fusion). En d'autres termes, un gain de chaleur supplémentaire est le résultat de la diminution des attractions intermoléculaires, au lieu d'une élévation des énergies cinétiques moléculaires. Par conséquent, lorsqu'une substance change d'état, sa température reste constante.

Une fois que le solide a complètement fondu (figure 1, point B), le liquide commence à se réchauffer et subit une hausse de température. La chaleur absorbée dépend de la capacité thermique du liquide (q =mc_liquideΔT). Lorsque le liquide atteint son point d'ébullition, il commence à se vaporiser (figure 1, point C) et la température reste constante malgré l'apport continu en chaleur. Un autre plateau (température constante) est observé au point d'ébullition du liquide pendant la transition de liquide à gaz en raison de la chaleur de vaporisation (q =mΔH_vap). Cette même température est maintenue par le liquide tant qu'il est en ébullition. Si la chaleur est fournie à une vitesse plus élevé, la température du liquide n'augmente pas, mais au lieu de cela, l'ébullition devient plus vigoureuse (rapide). Une fois que tout le liquide s'est vaporisé (figure 1, point D), la température du gaz augmente.

Figure 1. La courbe d'échauffement représentative d'une substance décrit les changements de température qui résultent du fait que la substance absorbe des quantités croissantes de chaleur. Des plateaux sur la courbe (régions de température constante) se produisent lorsque la substance subit des transitions de phases.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 10.3 : Transitions de phases.

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Heating Cooling Substance Temperature Changes Phase Changes Thermal Energy Transition Point Heat Absorption Phase Transition Intermolecular Forces Heating Curve Cooling Curve Specific Heat Capacity Melting Point Solid liquid Equilibrium

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