Définition de la chaleur de vaporisation
Aussi appelée enthalpie de vaporisation, la chaleur de vaporisation (∆Hvap) est définie par la quantité d’enthalpie (énergie thermique) nécessaire pour transformer une substance liquide en gaz ou en vapeur. Elle est mesurée en Joules par mole (J/mol), ou parfois en Calories (C).
La chaleur de vaporisation expliquée
La chaleur de vaporisation a toujours une valeur positive parce que l’enthalpie est toujours ajoutée à un système afin de vaporiser un liquide. Lorsque les molécules acquièrent plus d’énergie cinétique, elles deviennent plus susceptibles de se séparer du liquide et de devenir un gaz.
L’augmentation requise de l’énergie interne peut être décrite comme l’énergie nécessaire pour briser les interactions intermoléculaires dans le liquide. Plus la liaison entre les atomes est faible, moins il faut d’énergie pour briser ces liaisons.
La quantité d’énergie nécessaire est fonction de la pression à laquelle la transformation a lieu, et dépend de la température. Plus le liquide est déjà chaud, moins l’énergie est nécessaire. A des pressions plus élevées, plus d’énergie est nécessaire. Il existe une température critique à laquelle la chaleur de vaporisation disparaît (Tr=1). Au-delà de cette température critique, la substance ne se distingue ni comme un liquide ni comme une vapeur. Au lieu de cela, elle devient connue comme un fluide supercritique.
Dans une solution contenant à la fois l’état liquide et l’état gazeux, l’énergie cinétique de la vapeur est plus élevée que celle du liquide parce que les particules de vapeur sont capables de s’écouler plus facilement. Le mouvement accru des particules de gaz par rapport aux particules liquides crée de la chaleur et de la pression.
Formule de la chaleur de vaporisation
Une équation très basique pour calculer la chaleur de vaporisation est:
ΔHvap = Hvapor – Hliquid
Ceci calcule la différence d’énergie interne de la phase vapeur par rapport à la phase liquide.
Cependant, cette équation ne prend pas en compte l’énergie supplémentaire nécessaire aux particules de gaz pour repousser la pression atmosphérique afin de permettre l’augmentation du volume lors de l’ébullition d’un liquide.
Donc, une équation plus complète pour calculer la chaleur de vaporisation est:
ΔHvap = ΔUvap + pΔV
Où ΔUvap est la différence d’énergie interne entre la phase vapeur et la phase liquide (ΔUvap = Hvapor – Hliquid), et pΔV est le travail effectué contre la pression ambiante.
Chaleur de vaporisation de l’eau
L’eau a une chaleur spécifique élevée. Cette mesure décrit la quantité d’énergie nécessaire pour élever la température de l’eau de 1 degré Celsius. En tant que telle, l’eau a également une chaleur de vaporisation élevée. En fait, l’eau a besoin de plus de 40 000 joules par mole pour se vaporiser. Ceci est extrêmement important pour la vie sur Terre.
Comme la majorité de la Terre est composée d’eau, les grands changements dans la quantité d’énergie solaire que la Terre reçoit sont contrecarrés par l’eau. L’eau absorbe lentement la chaleur et la libère lorsqu’il y a moins de soleil. Cela permet de contrer les changements radicaux de température, qui seraient dévastateurs pour la vie. En comparaison, si le monde était composé principalement d’éthanol, la température fluctuerait rapidement car l’éthanol a une chaleur de vaporisation et une chaleur spécifique beaucoup plus faibles.
Cependant, cette chaleur de vaporisation élevée pourrait ne pas être à la hauteur pour réguler la température face aux actions humaines. Le changement climatique, et plus particulièrement le réchauffement de la planète, ajoute beaucoup de chaleur à l’atmosphère. Si l’océan peut absorber une grande partie de cette chaleur, il a des limites. En outre, lorsque l’océan absorbe de la chaleur, les molécules se dilatent. Cette expansion conduira à une grande partie des inondations qui sont actuellement estimées par les climatologues.
Différences dans la chaleur de vaporisation
Les principales influences sur la chaleur de vaporisation sont les interactions entre les molécules dans une solution. Dans un liquide, les molécules se déplacent les unes devant les autres mais interagissent constamment. Certaines forment des liaisons hydrogène, tandis que d’autres substances forment d’autres types de liaisons douces entre les molécules. Ces liaisons contiennent de l’énergie et maintiennent le liquide dans un état d’énergie inférieur. La chaleur de vaporisation décrit la quantité d’énergie nécessaire pour séparer ces liaisons.
L’eau a une chaleur de vaporisation élevée parce que des liaisons hydrogène se forment facilement entre l’oxygène d’une molécule et les hydrogènes des autres molécules. Ces liaisons maintiennent les molécules ensemble. Pour que l’eau se vaporise, vous devez augmenter la température pour que les molécules se déplacent plus rapidement. À un certain point, les molécules commenceront à se détacher du liquide et à se vaporiser.
Les métaux ont une chaleur de vaporisation encore plus élevée. De nombreux métaux forment des interactions complexes avec d’autres atomes métalliques. Cela maintient les molécules ensemble encore plus étroitement que les molécules d’eau. Ainsi, la chaleur de vaporisation des métaux est beaucoup plus élevée que celle de l’eau.