11.12
Courbes de température de changement d'état
Lorsqu'une substance, isolée de son environnement, est soumise à des variations de chaleur, les changements correspondants de la température et de la…
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.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why does temperature remain constant during a phase transition?
During a phase transition, absorbed heat overcomes intermolecular forces rather than increasing molecular kinetic energy. The temperature stays constant until the transition completes because all heat energy goes toward breaking attractive forces between molecules. Once the phase change finishes, additional heat resumes raising temperature.
Q2: What does the plateau on a heating curve represent?
A plateau represents a phase transition occurring at constant temperature. During melting or boiling, the temperature does not rise despite continuous heat input. The plateau's length indicates the duration of the phase change, while its vertical position shows the melting or boiling point temperature.
Q3: How does specific heat capacity affect temperature change in a heating curve?
Specific heat capacity determines how much heat a substance absorbs to change temperature by one degree. Materials with higher specific heat capacities require more heat for the same temperature increase, resulting in steeper slopes on heating curves. The relationship is expressed as q equals mass times specific heat times temperature change.
Q4: What is the difference between enthalpy of fusion and enthalpy of vaporization?
Enthalpy of fusion measures heat required to melt a solid into liquid at constant temperature. Enthalpy of vaporization measures heat required to vaporize a liquid into gas at constant temperature. Vaporization typically requires significantly more energy than fusion because gas molecules are farther apart and intermolecular forces are completely overcome.
Q5: How does a cooling curve differ from a heating curve?
A cooling curve plots temperature decrease as heat is removed from a substance, creating a mirror image of a heating curve. Like heating curves, cooling curves show plateaus at phase transitions where temperature remains constant as intermolecular forces re-establish. The slopes reflect specific heat capacities of each phase during cooling.
Q6: Why does boiling become more vigorous when heat is applied faster?
When heat is supplied at a greater rate during boiling, the temperature remains constant because the substance is already at its boiling point. Instead of raising temperature, excess heat accelerates the vaporization process, causing more vigorous bubble formation. The temperature plateau persists until all liquid has transformed into gas.
Q7: What determines the slope of a heating curve between phase transitions?
The slope between phase transitions depends on the specific heat capacity of the phase being heated. Solids, liquids, and gases have different specific heat capacities, producing different slopes. A steeper slope indicates lower specific heat capacity, meaning less heat is needed to raise temperature by one degree.