Physique-chimie et mathématiques (STI2D · STL) · Terminale · Physique-chimie — Matière et matériaux
Changements d’état et combustions : bilans énergétiques
Ce que coûte un état, ce que rend un feu.
En bref
Faire bouillir de l’eau, faire tourner une pompe à chaleur, choisir une chaudière : chaque fois, on fait un bilan d’énergie entre la matière et l’extérieur.
Pourquoi l’eau demande tant d’énergie pour bouillir
Les molécules d’eau s’attirent par des liaisons hydrogène : un atome H d’une molécule, lié à un O, est attiré par un doublet non liant de l’O d’une molécule voisine. Ces liaisons sont plus faibles que les liaisons covalentes, mais nombreuses.
- En fondant, la glace rompt une partie de ces liaisons ; en se vaporisant, l’eau les rompt presque toutes.
- D’où une énergie de vaporisation très élevée : 2 260 kJ/kg, contre 334 kJ/kg pour la fusion.
Rompre des liaisons coûte de l’énergie (fusion, vaporisation) ; en former en libère (solidification, condensation).
Le diagramme d’état (P, T)
Il indique, pour chaque couple pression-température, l’état d’un corps pur : solide, liquide ou gaz. Les courbes séparent les domaines ; sur une courbe, deux états coexistent.
- Le point triple : les trois états coexistent (eau : 0,01 °C, 611 Pa).
- Le point critique : au-delà, liquide et gaz ne se distinguent plus (eau : 374 °C, 221 bars).
Lecture pour l’eau : sous 1 bar, elle bout à 100 °C ; en montagne (0,7 bar), vers 90 °C ; dans un autocuiseur (2 bars), vers 120 °C, ce qui cuit plus vite.
La pompe à chaleur
Évaporateur dehors (le fluide se vaporise à basse pression et prélève de l’énergie)CompresseurCondenseur dedans (le fluide se liquéfie à haute pression et cède de l’énergie)Détendeur
Le diagramme (P, T) du fluide frigorigène permet de choisir les pressions pour qu’il bouille dehors, même par temps froid, et se condense dedans.
Bilan d’un chauffage avec changement d’état
Porter 0,5 kg de glace de −10 °C à de l’eau liquide à 20 °C (c glace = 2 100, c eau = 4 180 J/(kg·°C)) :
- Chauffer la glace à 0 °C : 0,5 × 2 100 × 10 = 10,5 kJ.
- La fondre : 0,5 × 334 = 167 kJ.
- Chauffer l’eau à 20 °C : 0,5 × 4 180 × 20 = 41,8 kJ.
Total ≈ 219 kJ : la fusion en représente les trois quarts.
Le bilan énergétique d’une combustion
On part du bilan de matière. L’énergie molaire de combustion est l’énergie libérée par la combustion complète d’une mole de combustible.
Q = n × E molaire
Exemple : 1 m³ de méthane, soit environ 41,7 mol (volume molaire 24 L/mol à 20 °C), avec E ≈ 800 kJ/mol : Q ≈ 33 MJ, environ 9,3 kWh.
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
Une mole de CO2 par mole de méthane : 41,7 × 44 ≈ 1,8 kg de CO2 par m³ brûlé, soit environ 200 g par kWh. Pour l’octane (essence) : 2 C8H18 + 25 O2 → 16 CO2 + 18 H2O, 8 moles de CO2 par mole brûlée.
Brûler un combustible fossile libère du carbone stocké depuis des millions d’années : c’est la cause principale du réchauffement climatique.
La chaudière à condensation
Les fumées contiennent de la vapeur d’eau. Une chaudière classique la laisse partir ; une chaudière à condensation la refroidit jusqu’à la liquéfier et récupère l’énergie cédée par cette condensation : environ 10 % d’énergie en plus pour la même quantité de gaz.
Teste-toi
6 questions pour vérifier
Touche une réponse : la correction s’affiche tout de suite.
1.Entre quoi s’établit une liaison hydrogène dans l’eau ?
2.Pourquoi la vaporisation de l’eau demande-t-elle beaucoup d’énergie ?
3.Que se passe-t-il au point triple d’un corps pur ?
4.En montagne, sous 0,7 bar, l’eau bout…
5.Pourquoi un autocuiseur cuit-il plus vite ?
6.Énergie pour fondre 0,5 kg de glace à 0 °C (L = 334 kJ/kg) ?
0 / 6 questions
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