Condensation et Énergie Thermique
Comprendre la Condensation et l'Énergie Thermique Associée
La condensation est un changement d'état de la matière, passant de l'état gazeux à l'état liquide. Ce processus se produit lorsque la vapeur d'un corps pur (comme la vapeur d'eau) est refroidie ou comprimée. Lors de la condensation, les particules du gaz, qui sont très espacées et agitées, se rapprochent et leur agitation diminue pour former un liquide. Ce changement d'état s'accompagne d'une libération d'énergie thermique dans l'environnement, car l'énergie qui maintenait les particules à l'état gazeux est cédée.
Données de l'étude
- Substance : Eau (\(H_2O\))
- Masse de vapeur d'eau à condenser : \(m = 50 \, \text{g}\)
- Température de condensation (constante) : \(T = 100 \, ^\circ\text{C}\)
- Chaleur latente de vaporisation de l'eau (à \(100 \, ^\circ\text{C}\)) : \(L_v = 2260 \, \text{J/g}\)
(C'est l'énergie nécessaire pour vaporiser 1g d'eau liquide à 100°C. Lors de la condensation, cette même quantité d'énergie est libérée par gramme de vapeur).
Schéma : Changement d'état - Condensation de la Vapeur d'Eau
La vapeur d'eau (molécules espacées et agitées) libère de l'énergie en se condensant pour former de l'eau liquide (molécules plus proches et moins agitées).
Questions à traiter
- Définir ce qu'est la condensation.
- Écrire l'équation du changement d'état correspondant à la condensation de la vapeur d'eau. Préciser l'état physique de l'eau avant et après la transformation.
- Calculer l'énergie thermique (\(Q\)) libérée lors de la condensation de \(50 \, \text{g}\) de vapeur d'eau à \(100 \, ^\circ\text{C}\). Exprimer le résultat en Joules (J) puis en Kilojoules (kJ).
- Le processus de condensation est-il exothermique ou endothermique ? Justifier votre réponse en vous basant sur le signe de l'énergie calculée (ou sur le fait que l'énergie est libérée).
- Donner un exemple de phénomène de condensation que l'on peut observer dans la vie quotidienne.
Correction : Condensation et Énergie Thermique
Question 1 : Définition de la condensation
Principe :
La condensation est un changement d'état physique. Il est important de préciser le passage de quel état à quel état.
Définition :
La condensation est le passage de l'état gazeux à l'état liquide. Pour l'eau, c'est la transformation de la vapeur d'eau en eau liquide.
Question 2 : Équation du changement d'état
Principe :
L'équation d'un changement d'état montre la formule chimique de la substance et son état physique avant et après la transformation. Les états physiques sont généralement indiqués par (g) pour gaz, (l) pour liquide, et (s) pour solide.
Équation :
Avant la transformation : Eau à l'état gazeux (vapeur d'eau).
Après la transformation : Eau à l'état liquide.
Question 3 : Calcul de l'énergie thermique libérée (\(Q\))
Principe :
L'énergie thermique (\(Q\)) échangée lors d'un changement d'état à température constante est proportionnelle à la masse (\(m\)) de la substance et à sa chaleur latente de changement d'état (\(L\)). Pour la condensation, on utilise la chaleur latente de condensation (\(L_c\)). La chaleur latente de condensation est l'opposé de la chaleur latente de vaporisation (\(L_c = -L_v\)). Cependant, comme on s'intéresse à l'énergie *libérée*, on peut utiliser la valeur absolue de \(L_v\) et indiquer que cette énergie est cédée au milieu extérieur.
La formule est : \(Q = m \times L_v\) (où \(Q\) représente ici l'énergie libérée, donc une valeur positive).
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
- Masse de vapeur d'eau (\(m\)) : \(50 \, \text{g}\)
- Chaleur latente de vaporisation de l'eau (\(L_v\)) : \(2260 \, \text{J/g}\)
Calcul :
En Joules (J) :
En Kilojoules (kJ) : \(1 \, \text{kJ} = 1000 \, \text{J}\)
Question 4 : Nature exothermique ou endothermique
Principe :
Un processus est dit exothermique s'il libère de l'énergie (généralement sous forme de chaleur) dans son environnement. Par convention, l'énergie (\(Q\)) cédée par le système est comptée négativement si on considère l'énergie du système, mais si on parle de l'énergie *libérée*, on donne souvent sa valeur absolue. Un processus est endothermique s'il absorbe de l'énergie de son environnement.
Justification :
Lors de la condensation, la vapeur d'eau passe à un état moins énergétique (liquide) et doit donc céder de l'énergie au milieu extérieur. Le calcul de la question 3 montre une quantité d'énergie positive car nous avons calculé l'énergie *libérée*. Si nous avions calculé la variation d'énergie interne du système "eau", elle serait négative (\(\Delta E = -Q_{\text{libérée}}\)).
Puisque de l'énergie est libérée par la vapeur d'eau lors de sa transformation en liquide, le processus de condensation est exothermique.
Quiz Intermédiaire 1 : La vaporisation (passage de liquide à gaz) est un processus :
- Ni l'un ni l'autre.
- Parfois exothermique, parfois endothermique.
Question 5 : Exemple de condensation dans la vie quotidienne
Principe :
La condensation se produit lorsque de la vapeur d'eau présente dans l'air entre en contact avec une surface plus froide que le point de rosée de l'air.
Exemples :
- La formation de buée sur les vitres froides en hiver (la vapeur d'eau de l'air intérieur se condense sur la vitre froide).
- La formation de buée sur le miroir de la salle de bain après une douche chaude.
- L'apparition de gouttelettes d'eau à l'extérieur d'un verre contenant une boisson froide (la vapeur d'eau de l'air ambiant se condense sur la surface froide du verre).
- La formation des nuages (la vapeur d'eau en altitude se refroidit et se condense en fines gouttelettes d'eau ou cristaux de glace).
- La rosée du matin sur l'herbe.
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. La condensation est le passage de l'état :
2. Lors de la condensation, l'énergie thermique est :
3. La chaleur latente de vaporisation (\(L_v\)) est l'énergie nécessaire pour :
Glossaire
- Condensation
- Changement d'état de la matière de l'état gazeux à l'état liquide. Ce processus libère de l'énergie.
- Vaporisation
- Changement d'état de la matière de l'état liquide à l'état gazeux. Ce processus nécessite un apport d'énergie.
- Énergie Thermique (Chaleur)
- Forme d'énergie transférée entre des systèmes en raison d'une différence de température. Lors d'un changement d'état à température constante, c'est l'énergie associée à la réorganisation des liaisons entre les particules.
- Chaleur Latente (L)
- Quantité d'énergie thermique absorbée ou libérée par une substance lors d'un changement d'état à température constante, par unité de masse. Par exemple, chaleur latente de vaporisation (\(L_v\)) ou de fusion (\(L_f\)).
- Chaleur Latente de Condensation (\(L_c\))
- Énergie thermique libérée par unité de masse lorsqu'une substance passe de l'état gazeux à l'état liquide à température constante. \(L_c = -L_v\).
- Processus Exothermique
- Processus physique ou chimique qui libère de l'énergie (souvent sous forme de chaleur) dans son environnement. La condensation est exothermique.
- Processus Endothermique
- Processus physique ou chimique qui absorbe de l'énergie (souvent sous forme de chaleur) de son environnement. La vaporisation est endothermique.
- Joule (J)
- Unité de mesure de l'énergie dans le Système International (SI).
- Kilojoule (kJ)
- Multiple du Joule. \(1 \, \text{kJ} = 1000 \, \text{J}\).
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