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Enthalpie de sublimation

1850

Germain Hess

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

L'enthalpie de sublimation, [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex], est la chaleur nécessaire pour convertir une mole d'une substance de l'état solide à l'état gazeux à une température donnée et pression. Selon la loi de Hess, l'enthalpie étant une fonction d'état, ce changement d'énergie est la somme de l'enthalpie de fusion ([latex]\Delta H_{\text{fus}}[/latex]) et de l'enthalpie de vaporisation ([latex]\Delta H_{\text{vap}}[/latex]).

La relation [latex]\Delta H_{\text{sub}} = \Delta H_{\text{fus}} + \Delta H_{\text{vap}}[/latex] est une application directe de la loi de Hess sur la sommation de la chaleur constante. + \Delta H_{text{vap}}[/latex] est une application directe de la loi de Hess sur la somme des chaleurs constantes, un principe fondamental de la thermochimie. Cette loi stipule que la variation totale d'enthalpie au cours d'un processus chimique ou physique est la même quelle que soit la voie empruntée, à condition que l'état initial et l'état final soient identiques. Dans ce contexte, l'état initial est la phase solide et l'état final est la phase gazeuse. On peut imaginer deux voies pour passer du solide au gaz : une voie directe en une étape (sublimation) ou une voie en deux étapes (fusion du solide en liquide, puis vaporisation du liquide en gaz).

Le changement d'enthalpie pour le chemin direct est l'enthalpie de sublimation, [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex]. La variation d'enthalpie pour la voie en deux étapes est la somme de l'enthalpie de fusion ([latex]\Delta H_{text{fus}}[/latex], pour la transition solide-liquide) et de l'enthalpie de vaporisation ([latex]\Delta H_{text{vap}}[/latex], pour la transition liquide-gaz). Étant donné que les états initiaux et finaux sont identiques pour les deux voies, la loi de Hess stipule que leurs changements d'enthalpie totaux doivent être égaux. Ce principe est extrêmement utile car il permet de calculer un changement d'enthalpie inconnu à partir de valeurs connues. Par exemple, si les enthalpies de fusion et de vaporisation sont expérimentalement plus faciles à mesurer que l'enthalpie de sublimation, cette dernière peut être calculée avec précision. Ces données sont cruciales pour les ingénieurs chimistes et les physiciens qui conçoivent des processus et modélisent des phénomènes physiques où la sublimation est un facteur clé, comme dans le dépôt de matériaux, la cryogénie et l'astrophysique.

Chimie, Cryogénie, Énergie, Enthalpie, Traitement thermique, science des matériaux, Diagramme de phase, Optimisation des processus, Thermodynamique

UNESCO Nomenclature: 2210

– Thermodynamique

Taper

Loi physique

Perturbation

Fondamentaux

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

Travaux d'Antoine Lavoisier et de Pierre-Simon Laplace sur la calorimétrie et les changements de chaleur dans les réactions chimiques
le développement du concept d'enthalpie (contenu thermique)
la première loi de la thermodynamique (conservation de l'énergie)

Applications

calcul des besoins énergétiques pour les procédés de lyophilisation industrielle
modélisation de l'ablation des boucliers thermiques sur les engins spatiaux lors de la rentrée atmosphérique
prédire le comportement des comètes à mesure qu'elles s'approchent du soleil
conception d'appareils de purification chimique basés sur la sublimation
développement de bases de données thermodynamiques pour la science des matériaux

Brevets:

Idées d'innovations potentielles

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Voir aussi : enthalpie de sublimation, loi de Hess, thermochimie, transition de phase, enthalpie de fusion, enthalpie de vaporisation, fonction d'état, thermodynamique, chaleur de sublimation, énergie.

Contexte historique

Démonstration du chauffage par effet Joule dans un laboratoire d'époque avec des appareils électriques.

Chauffage par effet Joule et énergie électrique

Le chauffage par effet Joule, ou chauffage ohmique, est le phénomène par lequel de la chaleur est produite par un courant électrique passant à travers un conducteur. Le taux de production de chaleur, ou puissance dissipée ([latex]P[/latex]), est donné par la première loi de Joule, [latex]P = VI[/latex]. En combinant cette loi avec la loi d'Ohm, la puissance peut être exprimée comme [latex]P = I^2 R[/latex] ou [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].

Appareil de laboratoire pour mesurer l'énergie interne et l'enthalpie d'un gaz parfait en thermodynamique.

Énergie interne et enthalpie d'un gaz parfait

Pour un gaz parfait, l'énergie interne ([latex]U[/latex]) et l'enthalpie ([latex]H[/latex]) sont des fonctions de la température uniquement. Leurs variations sont données par [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] et [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex], où [latex]c_v[/latex] et [latex]c_p[/latex] sont les chaleurs spécifiques à volume et pression constants, respectivement, et sont supposées être constantes.

Chercheur testant les propriétés viscoélastiques d'un polymère synthétique en laboratoire.

Viscoélasticité

La viscoélasticité est la propriété des matériaux qui présentent à la fois des caractéristiques visqueuses et élastiques lorsqu'ils subissent une déformation. Les matériaux visqueux, comme le miel, résistent au cisaillement et se déforment linéairement dans le temps lorsqu'une contrainte est appliquée. Les matériaux élastiques, comme un élastique, se déforment lorsqu'ils sont étirés et reviennent rapidement à leur état initial une fois la contrainte relâchée. Les matériaux viscoélastiques présentent des éléments des deux.

Enthalpie de sublimation

Ingénieurs concevant un moteur thermique efficace dans un laboratoire, illustrant les applications de la thermodynamique.

Deuxième loi de la thermodynamique

La deuxième loi introduit le concept d'entropie et définit la direction des processus spontanés. Elle peut être formulée de plusieurs manières, mais une conséquence essentielle est que l'entropie totale d'un système isolé ne peut jamais diminuer au fil du temps. Cette loi explique la « flèche du temps » et l'irréversibilité des processus, comme la chaleur qui s'écoule spontanément d'un corps chaud vers un corps froid.

Le modèle du gaz parfait

Un gaz parfait est un modèle théorique de gaz dans lequel les forces intermoléculaires sont négligées et les capacités thermiques spécifiques ([latex]C_P[/latex] et [latex]C_V[/latex]) sont supposées constantes en fonction de la température. Cela simplifie considérablement les calculs thermodynamiques. Il s'agit d'un cas spécifique de gaz idéal, où les chaleurs spécifiques peuvent varier avec la température, ce qui en fait un modèle plus contraignant.

Scène de laboratoire du XIXe siècle avec Ludwig Boltzmann étudiant la loi des gaz idéaux en thermodynamique statistique.

Loi des gaz parfaits (forme statistique)

La formulation en mécanique statistique de la loi des gaz idéaux exprime la relation en termes de propriétés microscopiques du gaz. Elle relie la pression ([latex]P[/latex]) et le volume ([latex]V[/latex]) au nombre total de particules ([latex]N[/latex]) et à la température absolue ([latex]T[/latex]) par l'intermédiaire de la constante de Boltzmann ([latex]k_B[/latex]) : [latex]PV = Nk_BT[/latex].

1841

1845

1850

1839-01-01

1842

1847

1850

L'effet photovoltaïque

L'effet photovoltaïque est la génération de tension et de courant électrique dans un matériau lorsqu'il est exposé à la lumière. Il s'agit d'un phénomène physique et chimique. Une application courante est la cellule solaire, qui exploite cet effet pour convertir directement la lumière solaire en électricité. Cet effet repose sur l'excitation des électrons par des photons lumineux, qui les portent à un état d'énergie supérieur.

Laboratoire du XIXe siècle avec des instruments de thermodynamique et les équations de la relation de Mayer.

Relation de Mayer (thermodynamique)

La relation de Mayer relie les chaleurs spécifiques d'un gaz parfait à la constante spécifique des gaz ([latex]R_s[/latex]). La relation est la suivante : [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. Pour les chaleurs spécifiques molaires ([latex]C_p[/latex] et [latex]C_v[/latex]), la relation est [latex]C_p - C_v = R[/latex], où [latex]R[/latex] est la constante universelle des gaz. Cela montre que [latex]c_p[/latex] est toujours supérieur à [latex]c_v[/latex].

Conservation de l'énergie

Principe fondamental selon lequel l'énergie totale d'un système isolé reste constante dans le temps. L'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement transformée d'une forme à une autre, par exemple de l'énergie potentielle à l'énergie cinétique. En mécanique classique, pour les systèmes ne comportant que des forces conservatives, l'énergie mécanique totale [latex]E = T + V[/latex] est conservée.

Installation de laboratoire pour mesurer la viscosité des fluides à différentes températures en thermodynamique.

Dépendance de la viscosité à la température

Pour un fluide newtonien, la viscosité dépend de la température et de la pression, mais pas du taux de cisaillement. Dans les liquides, la viscosité diminue significativement avec l'augmentation de la température, car une énergie thermique plus élevée permet aux molécules de surmonter plus facilement les forces de cohésion intermoléculaires. À l'inverse, dans les gaz, la viscosité augmente avec la température, car des collisions moléculaires plus fréquentes à des vitesses plus élevées entraînent un transfert de quantité de mouvement plus important.

Première loi de la thermodynamique

La première loi est un énoncé de la conservation de l'énergie. Elle postule que la variation de l'énergie interne d'un système fermé ([latex]\Delta U[/latex]) est égale à la chaleur fournie au système ([latex]Q[/latex]) moins le travail effectué par le système sur son environnement ([latex]W[/latex]). L'équation directrice est [latex]\Delta U = Q - W[/latex]. Cette loi relie la chaleur, le travail et l'énergie interne, établissant la chaleur comme une forme de transfert d'énergie.

Chimiste réalisant des expériences avec des catalyseurs dans un laboratoire d'époque, 1850.

Catalyseur sur l'équilibre chimique

Un catalyseur augmente la vitesse des réactions directes et inverses de manière équivalente en proposant une voie de réaction alternative avec une énergie d'activation plus faible. Bien qu'un catalyseur permette à un système d'atteindre l'équilibre beaucoup plus rapidement, il ne modifie pas la position de l'équilibre lui-même. Les concentrations à l'équilibre des réactifs et des produits, ainsi que la valeur de la constante d'équilibre K, restent inchangées.

Chimiste du XIXe siècle mesurant les volumes de gaz et illustrant la loi des gaz idéaux en thermodynamique.

Loi des gaz parfaits (forme molaire)

La loi des gaz idéaux est l'équation d'état d'un gaz idéal hypothétique, qui donne une approximation du comportement de nombreux gaz dans diverses conditions. La forme molaire relie la pression ([latex]P[/latex]), le volume ([latex]V[/latex]), la quantité de substance en moles ([latex]n[/latex]) et la température absolue ([latex]T[/latex]) par l'intermédiaire de la constante universelle des gaz ([latex]R[/latex]) : [latex]PV = nRT[/latex].

Appareil de laboratoire pour mesurer la pression de vapeur et la température en thermodynamique.

Clausius-Clapeyron Relation

La relation de Clausius-Clapeyron décrit la relation entre la pression et la température pour une substance à une transition de phase, comme un liquide et une vapeur. Pour la vapeur d'eau, elle montre que la pression de vapeur saturante augmente de manière exponentielle avec la température. La forme approximative est [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex], où L est la chaleur latente.

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)