L’énergie cachée de la fusion et de l’ébullition
Posez une casserole de glace sur le feu avec un thermomètre. La température monte jusqu’à 0 °C puis s’arrête pendant que la glace fond, alors que le feu continue de chauffer. Plus tard, elle se bloque à nouveau à 100 °C pendant que l’eau bout. L’énergie absorbée pendant ces paliers ne change pas la température : elle rompt les liaisons qui maintiennent le solide ou le liquide. Le chimiste écossais Joseph Black l’a appelée chaleur latente, c’est-à-dire cachée, dans les années 1760.
Les deux formes de chaleur
- La chaleur sensible fait varier la température : Q = m × c × ΔT, avec c la capacité thermique massique de la glace, de l’eau ou de la vapeur.
- La chaleur latente fait changer d’état : Q = m × L, avec L la chaleur latente de fusion ou de vaporisation.
| Grandeur | Valeur pour l’eau |
|---|---|
| Capacité thermique de la glace | 2,09 kJ/kg·K |
| Capacité thermique de l’eau liquide | 4,186 kJ/kg·K |
| Capacité thermique de la vapeur | 2,01 kJ/kg·K |
| Chaleur latente de fusion à 0 °C | 334 kJ/kg |
| Chaleur latente de vaporisation à 100 °C | 2 257 kJ/kg |
Le calculateur additionne chaque étape entre les températures de départ et d’arrivée.
Exemple
Prenons 1 kg de glace sortie d’un congélateur à −20 °C et chauffons-la jusqu’à 100 °C, juste avant l’ébullition :
- Réchauffer la glace jusqu’à 0 °C : 41,8 kJ.
- La faire fondre : 334 kJ.
- Chauffer l’eau de 0 à 100 °C : 418,6 kJ.
- Total : 794,4 kJ (0,22 kWh), dont 42 % de chaleur latente.
- Une bouilloire de 2 000 W sans pertes mettrait environ 6,6 minutes.
La vaporiser entièrement demanderait encore 2 257 kJ, presque trois fois plus.
Pourquoi c’est important
- Refroidir : les glaçons rafraîchissent si bien parce que leur fusion absorbe beaucoup de chaleur à 0 °C.
- Brûlures par la vapeur : la vapeur à 100 °C libère sa chaleur de vaporisation en se condensant sur la peau, ce qui la rend bien plus dangereuse que l’eau à la même température.
- Météorologie : la vapeur d’eau transporte d’énormes quantités d’énergie dans l’atmosphère et la libère dans les nuages, ce qui alimente orages et cyclones.
- Climatisation et pompes à chaleur déplacent la chaleur en évaporant puis en condensant un fluide frigorigène.
Limites
Les valeurs s’appliquent à la pression atmosphérique normale. En montagne, l’eau bout à une température plus basse, à 90 °C environ vers 3 000 m, et dans un autocuiseur à une température plus élevée. Le chauffage réel perd aussi de l’énergie dans le récipient et l’air, donc les temps réels sont plus longs. Si la température d’arrivée est inférieure à celle de départ, le calculateur donne la chaleur à retirer.