Fiche de révision

Le diagramme d'état d'un corps pur

A Les changements d'état

Le changement d'état d'un corps est une transformation physique au cours de laquelle le corps passe d'un état physique à un autre.

Un corps pur est un corps constitué d'une seule espèce chimique, contrairement à un mélange. Sous une pression donnée, le changement d'état d'un corps pur se fait à une température constante, caractéristique de ce corps pur. Cette température est appelée température de changement d'état.

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Exemple

Pour l'eau, sous une pression de 1,0 bar, θfus = 0,0 °C et θvap = 100 °C.

B Les diagrammes d'état

Connaissant sa température et sa pression, on peut prévoir l'état physique d'un corps pur en utilisant son diagramme d'état. Le diagramme d'état d'un corps pur est une représentation graphique en deux dimensions (pression en fonction de la température). Les trois lignes représentent les frontières entre l'état solide, l'état liquide et l'état gazeux.

EXEMPLE

On considère un corps pur dont on propose le diagramme d'état ci-contre. Il est initialement à la pression PA et à la température θA. D'après le diagramme, ce corps pur est à l'état liquide. On le chauffe à pression constante. Sa température augmente jusqu'au point B situé à la frontière entre l'état liquide et l'état gazeux. Au point B, le corps se vaporise à la température θB, qui est la température de vaporisation de ce corps pur à la pression PA. Dès lors, si l'on poursuit le chauffage, le corps pur est entièrement à l'état gazeux et sa température augmente.

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C L'enthalpie de changement d'état

Pendant un changement d'état de l'état 1 vers l'état 2, à pression constante, l'enthalpie ΔH (ou l'énergie thermique échangée) avec le milieu extérieur par une masse m d'un corps pur est égale au produit de la masse m de corps pur par l'enthalpie molaire de changement d'état Δ12H du corps pur :

Image dont le contenu est  m : masse en kilogrammeΔH = m × Δ1→2H  Δ1→2H : enthalpie molaire de changement d'état en joule par kilogramme (J.kg−1). Δ1→2H est également appelée chaleur latente et notée L1→2  ΔH : enthalpie de changement d'état en joule (J); Fin de l'image

REMarque

Il faut préciser le changement d'état considéré : le corps pur reçoit de l'énergie (ΔH12H > 0) lors d'une fusion, d'une vaporisation ou d'une sublimation (passage vers un état moins organisé). Inversement, le corps pur cède de l'énergie (ΔH12H < 0) lors d'une condensation, d'une liquéfaction ou d'une solidification (passage vers un état plus organisé).

ΔHSLH = –ΔHLSH     ΔHLGH = –ΔHGLH     ΔHSGH = –ΔHGSH

EXEMPLE

On fait fondre une masse m = 45 g de glaçons à 0 °C. ΔHSLH = 334 kJ.kg–1.

La masse vaut m = 0,045 kg, ainsi les glaçons vont recevoir une énergie ΔH = m × ΔHSLH = 0,045 × 334 = 15 kJ.

D La variation d'enthalpie lors d'une variation de température

L'enthalpie d'une phase condensée varie lorsque la température passe de la température initiale Ti à la température finale Tf. Cette variation est proportionnelle à la différence de température (Tf – Ti), à la masse m de phase condensée et à la capacité thermique massique c de la phase condensée (plus c est grande, moins la variation de température est élevée pour une même masse).

Image dont le contenu est  m : masse en kilogramme c : capacité thermique massique en joule par kilogramme et par kelvin (J.kg–1.K–1)ΔH = m × c × (Tf – Ti)  Tf – Ti : différence de température en kelvin (K) ou en degré Celsius (°C), ΔH : enthalpie de changement d'état en joule (J); Fin de l'image

Lors d'une élévation de température, la phase condensée voit son enthalpie augmenter.

EXEMPLE

L'eau produite par la fonte des glaçons à 0 °C voit ensuite son enthalpie augmenter de 3,0 kJ par chauffage. ceau = 4,2 J.g–1.K–1.On peut alors calculer la température finale de l'eau. La formule ΔH = m × ceau × (Tf – Ti), permet d'écrire (Tf - Ti) = ΔH/m × ceau soit T= Ti + ΔH/m × ceau = 0 + 3,0 × 103/(45 × 4,2) = 16 °C.

REMarque

Lorsqu'un corps reçoit de l'énergie thermique du milieu extérieur, son enthalpie augmente, ce qui se traduit soit par une élévation de température, soit par un changement d'état, soit par une élévation de température et un changement d'état.

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