Enthalpie de changement d'état

L'enthalpie de changement d'état d'un corps pur est par définition la variation d'enthalpie ΔH = H₂ - H₁ qui accompagne le passage du système d'un état physique 1 à un état physique 2. On définit l'enthalpie de changement d'état molaire ou massique.

Évolution de l'enthalpie H d'un système au cours de ses changements d'état (l'axe est orienté dans le sens des H croissantes)

L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, est la quantité de chaleur nécessaire à l'unité de quantité de matière (mole) ou de masse (kg) d'un corps pur pour qu'il change d'état, cette transformation ayant lieu à pression constante. Par exemple pour le passage de l'état liquide à l'état de vapeur on parlera d'enthalpie de vaporisation.

L'enthalpie échangée lors du changement d'état résulte de la modification (rupture ou établissement) de liaisons interatomiques ou intermoléculaires. Il existe trois états physiques principaux pour tout corps pur: l'état solide, l'état liquide et l'état gazeux. Les liaisons sont plus fortes dans l'état solide que dans l'état liquide et ces liaisons sont quasi-absentes dans l'état gazeux. Il existe un quatrième état obtenu à très haute température où la matière se trouve sous la forme d'un plasma d'ions et d'électrons.

Par exemple, l'eau bout à 100 °C sous la pression d'1 atmosphère ( 1atm = 101325 Pascal). L'enthalpie de vaporisation de l'eau, égale à la quantité de chaleur fournie pour transformer l'eau liquide en vapeur, est de 2257 kJ/kg.

Le changement d'état s'effectuant à pression p constante, la quantité de chaleur échangée avec le milieu extérieur lors du passage de l'état 1 à l'état 2 est Q_p1,2 = ΔH_1,2 (voir enthalpie). Q_p1,2 est encore parfois appelée chaleur latente de changement d'état ; l'adjectif « latente » indique que cette quantité est « cachée » avant d'être absorbée ou dégagée lors du changement d'état. À l'expression « chaleur latente de changement d'état  » (molaire ou massique), on préfère aujourd'hui celle d'« enthalpie de changement d'état » (molaire ou massique).

Changement d'état

Au cours d'un changement d'état d'un corps pur, il y a une variation d'enthalpie et d'entropie du corps. Par exemple pour un corps de masse m passant de l'état 1 à l'état 2 à la température T₀

ΔH_1,2 = mL_1,2 et $\Delta S_{1,2}=\frac{mL_{1,2}}{T_0}$

$\ L_{1,2}$ Chaleur latente massique exprimée en J/kg

ΔH_1,2 Variation d'enthalpie en J

ΔS_1,2 Variation d'entropie en J/K

m masse en kg

T₀ Température en K

La chaleur latente massique de fusion des métaux est comprise entre 4 et 16 kJ/kg, sauf rare exception. Cette règle permet de connaître une valeur approchée de l'enthalpie de fusion, connaissant la température de fusion :

$\ L_f = \frac{T_f. \Delta s_f}{m}$

$\ L_f$ chaleur latente massique exprimée en J/kg

$\ \Delta s_f$ variation d'entropie molaire lors de la fusion en J/(mol.K)

$\ T_f$ température de fusion en K

$\ m$ masse en kg

Enthalpie de fusion

Article détaillé : Enthalpie de fusion.

L'enthalpie de fusion est l'énergie absorbée sous forme de chaleur par un corps lorsqu'il passe de l'état solide à l'état liquide à température et pression constantes.

L'enthalpie de solidification (transformation inverse de la précédente) est l'opposée de l'enthalpie de fusion :

ΔH (solidification) = - ΔH (fusion)

Enthalpie de vaporisation

Article détaillé : Enthalpie de vaporisation.

L'enthalpie de vaporisation d'un composé chimique est la différence d'enthalpie mise en jeu lors de la vaporisation d'une mole de ce composé.

L'enthalpie de liquéfaction (transformation inverse de la précédente) est l'opposée de l'enthalpie de vaporisation :

ΔH (liquéfaction) = - ΔH (vaporisation)

Enthalpie de sublimation

Article détaillé : Enthalpie de sublimation.

L'enthalpie de sublimation, ou chaleur latente de sublimation, est l'énergie absorbée sous forme de chaleur par un corps lorsqu'il passe de l'état solide à l'état gazeux à température et pression constantes.

L'enthalpie de condensation (transformation inverse de la précédente) est l'opposée de l'enthalpie de sublimation :

ΔH (condensation) = - ΔH (sublimation)

Histoire

On nommait autrefois chaleur latente cette grandeur, en référence à la vision substantialiste de la chaleur (considérée comme un fluide, une substance, immatérielle) qui était largement répandue jusqu'au XIX^e siècle avec notamment les travaux de Joseph Fourier sur cette dernière.

Voir aussi

• Chaleur massique
• Règle de Trouton (calcul empirique de l'enthalpie de vaporisation)
• Formule de Clapeyron
• Chaleur
• Calorimétrie

Références

"Carburants et moteurs", J-C Guibet, Publication de l'Institut Français du Pétrole, ISBN 2-7108-0704-1

"Dictionnaire de physique expérimentale Quaranta", Tome II, Thermodynamique et Applications, Éditions Pierron, 1997, ISBN 2-7085-0168-2