ÉTUDE DE PHYSIQUE

Transition de Phase Liquide-Vapeur

Transition de Phase Liquide-Vapeur en Thermodynamique

Transition de Phase Liquide-Vapeur en Thermodynamique

Comprendre la Transition de Phase Liquide-Vapeur

La transition de phase liquide-vapeur, communément appelée vaporisation (ou ébullition si elle se produit dans tout le volume du liquide à une température donnée), est un processus thermodynamique fondamental. Lorsqu'une substance liquide est chauffée à pression constante, sa température augmente jusqu'à atteindre sa température d'ébullition. À ce point, un apport supplémentaire de chaleur ne provoque plus une augmentation de température, mais est utilisé pour transformer le liquide en vapeur. Cette chaleur est appelée chaleur latente de vaporisation. Une fois toute la substance vaporisée, la température de la vapeur peut à nouveau augmenter si l'on continue de fournir de la chaleur.

Données de l'étude

On souhaite transformer \(2 \, \text{kg}\) d'eau initialement à l'état liquide à une température de \(20 \, \text{°C}\) en vapeur d'eau surchauffée à \(150 \, \text{°C}\). Le processus se déroule à une pression constante de \(1 \, \text{atm}\) (\(101325 \, \text{Pa}\)).

Données thermodynamiques pour l'eau à \(1 \, \text{atm}\) :

  • Capacité thermique massique de l'eau liquide (\(c_{eau}\)) : \(4186 \, \text{J/kg·°C}\)
  • Température d'ébullition (\(T_{eb}\)) : \(100 \, \text{°C}\)
  • Chaleur latente de vaporisation (\(L_v\)) : \(2.26 \times 10^6 \, \text{J/kg}\)
  • Capacité thermique massique de la vapeur d'eau (\(c_{vapeur}\)) : \(2010 \, \text{J/kg·°C}\)
Schéma : Courbe de Chauffage de l'Eau (Température vs. Chaleur Ajoutée)
Q (Chaleur ajoutée) T (°C) 20 100 150 0 A B C D Q₁ Q₁ + Qv Qtotal Eau liquide Liquide + Vapeur Vapeur d'eau

Courbe de chauffage de l'eau à pression constante, montrant les différentes étapes.

Questions à traiter

  1. Calculer la quantité de chaleur (\(Q_1\)) nécessaire pour amener l'eau de \(20 \, \text{°C}\) à sa température d'ébullition (\(100 \, \text{°C}\)).
  2. Calculer la quantité de chaleur (\(Q_v\)) nécessaire pour vaporiser complètement l'eau à \(100 \, \text{°C}\).
  3. Calculer la quantité de chaleur (\(Q_2\)) nécessaire pour chauffer la vapeur d'eau de \(100 \, \text{°C}\) à \(150 \, \text{°C}\).
  4. Calculer la quantité de chaleur totale (\(Q_{total}\)) requise pour l'ensemble du processus.

Correction : Analyse de la Transition de Phase

Question 1 : Chaleur pour atteindre l'ébullition (\(Q_1\))

Principe :

Pour chauffer une substance sans changement de phase, la quantité de chaleur requise (chaleur sensible) est donnée par la formule \(Q = m \cdot c \cdot \Delta T\), où \(m\) est la masse, \(c\) est la capacité thermique massique, et \(\Delta T\) est la variation de température.

Formule(s) utilisée(s) :
\[Q_1 = m \cdot c_{eau} \cdot (T_{eb} - T_{initiale})\]
Données spécifiques :
  • Masse d'eau (\(m\)) : \(2 \, \text{kg}\)
  • Capacité thermique de l'eau liquide (\(c_{eau}\)) : \(4186 \, \text{J/kg·°C}\)
  • Température initiale (\(T_{initiale}\)) : \(20 \, \text{°C}\)
  • Température d'ébullition (\(T_{eb}\)) : \(100 \, \text{°C}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \Delta T_1 &= T_{eb} - T_{initiale} = 100 \, \text{°C} - 20 \, \text{°C} = 80 \, \text{°C} \\ Q_1 &= 2 \, \text{kg} \cdot 4186 \, \text{J/kg·°C} \cdot 80 \, \text{°C} \\ &= 669760 \, \text{J} \\ &= 669.76 \, \text{kJ} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : La chaleur \(Q_1\) nécessaire est \(669760 \, \text{J}\) (ou \(669.76 \, \text{kJ}\)).

Quiz Intermédiaire 1 : La chaleur sensible dépend-elle de la nature de la substance ?

Question 2 : Chaleur de vaporisation (\(Q_v\))

Principe :

Pendant la transition de phase (vaporisation), la température reste constante. La quantité de chaleur requise (chaleur latente) est donnée par \(Q = m \cdot L_v\), où \(m\) est la masse et \(L_v\) est la chaleur latente de vaporisation spécifique à la substance.

Formule(s) utilisée(s) :
\[Q_v = m \cdot L_v\]
Données spécifiques :
  • Masse d'eau (\(m\)) : \(2 \, \text{kg}\)
  • Chaleur latente de vaporisation de l'eau (\(L_v\)) : \(2.26 \times 10^6 \, \text{J/kg}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} Q_v &= 2 \, \text{kg} \cdot (2.26 \times 10^6 \, \text{J/kg}) \\ &= 4.52 \times 10^6 \, \text{J} \\ &= 4520 \, \text{kJ} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La chaleur de vaporisation \(Q_v\) nécessaire est \(4.52 \times 10^6 \, \text{J}\) (ou \(4520 \, \text{kJ}\)).

Quiz Intermédiaire 2 : Pendant l'ébullition de l'eau à pression constante, sa température :

Question 3 : Chaleur pour surchauffer la vapeur (\(Q_2\))

Principe :

Une fois toute l'eau transformée en vapeur à \(100 \, \text{°C}\), un apport de chaleur supplémentaire augmentera la température de la vapeur (chaleur sensible). La formule est \(Q = m \cdot c \cdot \Delta T\), en utilisant cette fois la capacité thermique massique de la vapeur.

Formule(s) utilisée(s) :
\[Q_2 = m \cdot c_{vapeur} \cdot (T_{finale \, vapeur} - T_{eb})\]
Données spécifiques :
  • Masse de vapeur (\(m\)) : \(2 \, \text{kg}\)
  • Capacité thermique de la vapeur d'eau (\(c_{vapeur}\)) : \(2010 \, \text{J/kg·°C}\)
  • Température finale de la vapeur (\(T_{finale \, vapeur}\)) : \(150 \, \text{°C}\)
  • Température d'ébullition (\(T_{eb}\)) : \(100 \, \text{°C}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \Delta T_2 &= T_{finale \, vapeur} - T_{eb} = 150 \, \text{°C} - 100 \, \text{°C} = 50 \, \text{°C} \\ Q_2 &= 2 \, \text{kg} \cdot 2010 \, \text{J/kg·°C} \cdot 50 \, \text{°C} \\ &= 201000 \, \text{J} \\ &= 201 \, \text{kJ} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La chaleur \(Q_2\) nécessaire pour surchauffer la vapeur est \(201000 \, \text{J}\) (ou \(201 \, \text{kJ}\)).

Question 4 : Chaleur totale (\(Q_{total}\))

Principe :

La quantité de chaleur totale requise pour l'ensemble du processus est la somme des chaleurs calculées pour chaque étape : chauffage de l'eau liquide, vaporisation de l'eau, et chauffage de la vapeur.

Formule(s) utilisée(s) :
\[Q_{total} = Q_1 + Q_v + Q_2\]
Données spécifiques :
  • \(Q_1 = 669760 \, \text{J}\) (calculé à la question 1)
  • \(Q_v = 4520000 \, \text{J}\) (calculé à la question 2)
  • \(Q_2 = 201000 \, \text{J}\) (calculé à la question 3)
Calcul :
\[ \begin{aligned} Q_{total} &= 669760 \, \text{J} + 4520000 \, \text{J} + 201000 \, \text{J} \\ &= 5390760 \, \text{J} \\ &= 5390.76 \, \text{kJ} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : La chaleur totale \(Q_{total}\) requise est \(5390760 \, \text{J}\) (ou \(5390.76 \, \text{kJ}\)).

Quiz Intermédiaire 3 : Laquelle de ces étapes absorbe le plus de chaleur pour une masse d'eau donnée partant de 0°C liquide à 120°C vapeur (à 1 atm) ?

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. Qu'est-ce que la chaleur latente de vaporisation ?

2. Si la pression externe diminue, la température d'ébullition d'un liquide :

3. La capacité thermique massique (\(c\)) est exprimée en :

Glossaire

Transition de Phase
Transformation d'un système d'un état de la matière (phase) à un autre (par exemple, liquide à vapeur).
Chaleur Sensible
Quantité de chaleur échangée par un corps qui entraîne une variation de sa température, sans changement de phase.
Chaleur Latente
Quantité de chaleur échangée par un corps lors d'un changement de phase à température et pression constantes (ex: chaleur latente de vaporisation, de fusion).
Température d'Ébullition (\(T_{eb}\))
Température à laquelle un liquide passe à l'état gazeux (vapeur) dans l'ensemble de son volume, sous une pression donnée.
Capacité Thermique Massique (\(c\))
Quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'une unité de masse d'une substance d'un degré Celsius (ou Kelvin). Unité : \(\text{J/kg·°C}\) ou \(\text{J/kg·K}\).
Vaporisation
Processus de transition de phase de l'état liquide à l'état gazeux. Comprend l'évaporation (en surface) et l'ébullition (dans le volume).
Vapeur Surchauffée
Vapeur dont la température est supérieure à sa température d'ébullition à la pression donnée.
Pression Atmosphérique (atm)
Pression exercée par l'atmosphère terrestre. \(1 \, \text{atm} \approx 101325 \, \text{Pa}\).
Transition de Phase Liquide-Vapeur en Thermodynamique

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