Alors, sans plus attendre, parlons de la courbe de chauffage de l'eau!
Tout d'abord, nous allons voir ce qu'est la courbe de chauffe de l'eau.
Ensuite, nous verrons la signification d'une courbe de chauffage et un graphique de base pour la courbe de chauffage de l'eau.
Ensuite, nous verrons la courbe de chauffe de l'équation de l'eau.
Enfin, nous apprendrons à calculer les changements d'énergie pour la courbe de chauffage de l'eau.
Signification de la courbe de chauffe de l'eau
Pour commencer, voyons la signification de la courbe de chauffe de l'eau.
La courbe de chauffe de l'eau est utilisée pour montrer comment la température d'une certaine quantité d'eau change lorsqu'on y ajoute constamment de la chaleur.
La courbe de chauffe de l'eau est importante car elle montre la relation entre la quantité de chaleur apportée et le changement de température de la substance.
Dans ce cas, la substance est l'eau.
Il est essentiel que nous comprenions les changements de phase de l'eau, qui peuvent être représentés sur un graphique, car ils présentent des caractéristiques communes à l'eau.
Par exemple, il est utile de savoir à quelle température la glace fond ou à quelle température l'eau bout lorsque tu veux cuisiner tous les jours.
Figure 1 : Pour faire bouillir une tasse de thé, nous avons besoin de la courbe de chauffage de l'eau. Daniela Lin, Study Smarter Originals.
Même pour préparer une tasse de thé comme celle présentée ci-dessus, tu dois faire bouillir de l'eau. Connaître la température à laquelle l'eau bout est important pour ce processus. C'est là qu'une représentation graphique de la courbe de chauffage de l'eau est utile.
Représentation graphique de la courbe de chauffage de l'eau
Pour représenter graphiquement une courbe de chauffage de l'eau, nous devons d'abord prendre en compte la définition de la courbe de chauffage de l'eau que nous avons mentionnée précédemment.
Cela signifie que nous voulons que notre graphique reflète les changements de température de l'eau lorsque nous ajoutons une certaine quantité de chaleur.
Figure 2 : Courbe de chauffage de l'eau illustrée. Daniela Lin, Study Smarter Originals.
Notre axe des x mesure la quantité de chaleur ajoutée. Quant à l'axe des ordonnées, il représente les changements de température de l'eau résultant de l'ajout d'une certaine quantité de chaleur.
Après avoir compris comment nous représentons nos axes des x et des y, nous devons aussi apprendre les changements de phase.
Dans la figure ci-dessous, notre eau est au départ de la glace à environ -30 degrés Celsius (°C). Nous commençons par ajouter de la chaleur à un rythme constant. Une fois que notre température atteint 0 °C, notre glace entre dans le processus de fusion. Pendant les changements de phase, la température de l'eau reste constante. Cela est indiqué par la ligne horizontale en pointillés qui figure sur notre graphique. Cela est dû au fait que lorsque nous ajoutons de la chaleur au système, la température du mélange glace/eau ne change pas. Note que la chaleur et la température ne sont pas les mêmes choses d'un point de vue scientifique.
La même chose se produit plus tard lorsque notre eau désormais liquide commence à bouillir à une température de 100 °C. Au fur et à mesure que nous ajoutons de la chaleur au système, nous obtenons un mélange d'eau et de vapeur. En d'autres termes, la température reste à 100 °C jusqu'à ce que la chaleur ajoutée surmonte les forces d'attraction de la liaison hydrogène dans le système et que toute l'eau liquide se transforme en vapeur. Ensuite, le réchauffement continu de notre vapeur d'eau entraîne une augmentation de la température.
Pour mieux comprendre, revoyons la représentation graphique de la courbe de chauffage de l'eau, mais cette fois avec des chiffres détaillant les changements.
Figure 3 : Représentation graphique de la courbe de chauffage de l'eau, avec les phases, étiquetées. Daniela Lin, Study Smarter Originals.
D'après la figure 3, nous pouvons voir que :
1) Nous commençons à -30 °C avec de la glace solide et une pression standard (1 atm).
1-2) Ensuite, aux étapes 1-2, lorsque la glace solide se réchauffe, les molécules d'eau commencent à vibrer en absorbant de l'énergie cinétique.
2-3)Ensuite, à partir des étapes 2-3, un changement de phase se produit lorsque la glace commence à fondre à 0 °C. La température reste la même, car la chaleur constante ajoutée aide à surmonter les forces d'attraction entre les molécules d'eau solides.
3) Au point 3, la glace a réussi à fondre en eau.
3-4) Cela signifie qu'à partir des étapes 3-4, l'eau liquide commence à se réchauffer à mesure que l'on ajoute de la chaleur constante.
4-5) Ensuite, les étapes 4-5 impliquent un autre changement de phase puisque l'eau liquide commence à se vaporiser.
5) Enfin, lorsque les forces d'attraction entre les molécules d'eau liquide sont surmontées, l'eau devient de la vapeur ou du gaz à 100 °C. C'est le réchauffement continu de notre vapeur qui fait que la température continue d'augmenter au-delà de 100 °C.
Pour plus d'informations sur les forces d'attraction, reporte-toi à l'article "Forces intermoléculaires" ou "Types de forces intermoléculaires".
Exemples de courbes de chauffe de l'eau
Maintenant que nous avons compris comment tracer la courbe de chauffe de l'eau, nous allons nous intéresser à des exemples concrets. Nous allons maintenant nous intéresser à des exemples concrets d'utilisation de la courbe de chauffage de l'eau.
Équation et expérience de la courbe de chauffe de l'eau
Pour comprendre comment utiliser la courbe de chauffage de l'eau, il faut notamment comprendre les équations en jeu.
La pente de la ligne de notre courbe de chauffe dépend de la masse et de la chaleur spécifique de la substance à laquelle nous avons affaire.
Par exemple, si nous avons affaire à de la glace solide, nous devons connaître la masse et la chaleur spécifique de la glace.
La chaleur spécifique d'une substance (C) est le nombre de joules nécessaires pour élever 1g d'une substance de 1 Celsius.
Figure 4 : Représentation graphique de la courbe de chauffage de l'eau, avec un certain nombre de formules de chaleur, étiquetées pour plus de clarté. Une explication de chaque changement est fournie ci-dessous. Daniela Lin, Study Smarter Originals.
Les changements de température se produisent lorsque la pente n'est pas une ligne constante. Cela signifie qu'ils se produisent aux étapes 1-2, 3-4 et 5-6.
Les équations que nous utilisons pour calculer ces étapes spécifiques sont les suivantes :
Équation de la courbe de chaleur de l'eau
$$Q= m \times C \times \Delta T $$$
où,
m= masse d'une substance spécifique en grammes (g)
C= chaleur spécifique de la capacité d'une substance(J/(g °C))
La capacité thermique spécifique, C, est également différente selon qu'il s'agit de glace, Cs= 2,06 J/(g °C), d'eau liquide,Cl =4,184 J/(g °C), ou de vapeur,Cv =2,01 J/(g °C).
\(\Delta T \) = changement de température (Kelvin ou Celsius)
Cette équation concerne les parties du graphique relatives au changement de température en fonction de l'énergie. Puisqu'il y a des changements de température à ces étapes, notre équation pour trouver les changements de chaleur de l'eau à ces points spécifiques implique la masse, la chaleur spécifique de la capacité et le changement de température de la substance que nous traitons.
Note que Q représente la quantité de chaleur transférée vers et depuis un objet.
En revanche, les changements de phase se produisent lorsque la pente est nulle. Ce qui signifie qu'ils se produisent à partir des étapes 2-3 et 4-5. Lors de ces changements de phase, il n'y a pas de changement de température, notre équation ne fait intervenir que la masse d'une substance et la chaleur spécifique de changement.
Pour les étapes 2 et 3, puisqu'il n'y a pas de changement de température, nous ajoutons de la chaleur pour aider à surmonter la liaison hydrogène dans la glace afin de la transformer en eau liquide. Notre équation ne traite alors que de la masse de notre substance spécifique, qui est la glace à ce stade du calcul, et de la chaleur de fusion ou du changement d'enthalpie (H) de la fusion.
En effet, la chaleur de fusion traite du changement de chaleur dû à l'énergie fournie sous forme de chaleur constante pour liquéfier la glace.
Les étapes 4 à 5 sont les mêmes que les étapes 2 et 3, sauf qu'il s'agit du changement de chaleur dû à la vaporisation de l'eau en vapeur ou de l'enthalpie de vaporisation.
Équation de la courbe de chaleur de l'eau
$$Q = n \ fois \Delta H$$
où,
n = nombre de moles d'une substance
\( \Delta H \) = changement de chaleur ou enthalpie molaire (J/g)
Cette équation concerne les parties du graphique relatives aux changements de phase, où ΔH est soit la chaleur de fusion de la glace,ΔHf, soit la chaleur de vaporisation de l'eau liquide, ΔHv, selon le changement de phase que nous calculons .
Calculer les changements d'énergie pour la courbe de chauffage de l'eau
Maintenant que nous avons passé en revue les équations relatives à tous les changements de notre courbe de chauffage de l'eau. Nous allons calculer les changements d'énergie pour la courbe de chauffage de l'eau en utilisant les équations que nous avons apprises ci-dessus.
En utilisant les informations données ci-dessous. Calcule les changements d'énergie pour toutes les étapes indiquées dans la courbe de chaleur du graphique de l'eau jusqu'à 150 °C.
Étant donné une masse (m) de 90 g de glace et les chaleurs spécifiques de la glace ou Cs= 2,06 J/(g °C), de l'eau liquide ouCl =4,184 J/(g °C) et de la vapeur ouCv =2,01 J/(g °C), calcule toute la quantité de chaleur (Q) nécessaire pour convertir 10 g de glace à -30 °C en eau chaude. Trouve toute la quantité de chaleur (Q) nécessaire si nous transformons 10 g de glace à -30 °C en vapeur à 150 °C. Tu auras également besoin des valeurs de l'enthalpie de fusion, ΔHf =6,02 kJ/mol, et de l'enthalpie de vaporisation, ΔHv= 40,6 kJ/mol.
La solution est :
Figure 5 : Représentation graphique de la courbe d'échauffement de l'eau étiquetée pour l'exemple. Daniela Lin, Study Smarter Originals.
1-2) La glace est chauffée : C'est un changement de température car la pente n'est pas une ligne horizontale plate.
\N(Q_1 = m \Nfois C_s \Nfois \NDelta T \N)
\(Q_1\) = (90 g de glace) x(2,06 J/(g °C)) x (0 °C-(-30°C ))
\(Q_1\) = 5,562 J ou 5,562 kJ
2-3) La glace en train de fondre (point de fusion de la glace) : C'est un changement de phase car la pente est nulle à cet endroit.
\N( Q_2 = n \Nfois \NDelta H_f \N)
Nous devons convertir les grammes en moles car 1 mole d'eau = 18,015 g d'eau.
\N(Q_2\N) = (90 g de glace) x \N( \Nfrac {1 mol} {18,015 g} \N) x 6,02 kJ/mol
\(Q_2\) = 30,07 kJ
3-4) De l'eau liquide est chauffée : Il s'agit d'un changement de température car la pente n'est pas une ligne horizontale plate.
\N(Q_3 = m \Nfois C_l \Nfois \NDelta T \N)
\(Q_1\) = (90 g de glace) x(4,184 J/(g °C)) x (100 °C-0°C )
\(Q_1\) = 37,656 J ou 37.656 kJ
4-5) L'eau se vaporise (point d'ébullition de l'eau) : C'est un changement de phase car la pente est nulle.
\N( Q_4 = n \Nfois \NDelta H_v \N)
Nous devons convertir les grammes en moles car 1 mole d'eau = 18,015 g d'eau.
\N(Q_2\N) = (90 g de glace) x \N( \Nfrac {1 mol} {18,015 g} \N) x 40,6 kJ/mol = 202,83 kJ
5-6) La vapeur est chauffée : Il s'agit d'un changement de température car la pente n'est pas une ligne horizontale plate.
\(Q_5 = m \times C_v \times \Delta T \)
\(Q_1\) = (90 g de glace) x ( 2.01 J/(g °C)) x (150 °C-100°C)
\(Q_1\) = 9,045 J ou 9,045 kJ
La quantité totale de chaleur correspond donc à l'addition de toutes les valeurs Q
Q total = \(Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4 + Q_5\)
Q total = 5,562 kJ + 30,07 kJ + 37,656 kJ + 202,83 kJ + 9,045 kJ
Q total = 285,163 kJ
La quantité de chaleur (Q) nécessaire pour transformer 10 g de glace à -30 °C en vapeur à 150 °C est de 285,163 kJ.
Tu es arrivé à la fin de cet article. Tu devrais maintenant avoir compris, comment construire une courbe de chauffe pour l'eau, pourquoi il est important de connaître la courbe de chauffe de l'eau et comment calculer les changements d'énergie qui y sont associés.
Pour t'entraîner davantage, reporte-toi aux flashcards associées à cet article !
Courbe de chauffe de l'eau - Principaux enseignements
La courbe de chauffage de l'eau est utilisée pour montrer comment la température d'une certaine quantité d'eau change lorsqu'on ajoute constamment de la chaleur.
La courbe de chauffage de l'eau est importante car elle montre la relation entre la quantité de chaleur apportée et le changement de température de la substance.
Il est essentiel pour nous de comprendre les changements de phase de l'eau, qui peuvent être facilement représentés sur un graphique.
La pente de la ligne de notre courbe de chauffage dépend de la masse, de la chaleur spécifique et de la phase de la substance à laquelle nous avons affaire.
Références
- Libretexts. (2020, 25 août). 11.7 : Courbe de chauffage de l'eau. Chimie LibreTexts.
- Le tutoriel de la classe de physique. La classe de physique. (n.d.).
- Libretexts. (2021, 28 février). 8.1 : Courbes de chauffe et changements de phase. LibreTextes de chimie.
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