f. Svstème et milieu extérieur

Leçon 7. Transfomation énergétique du système

aaeaQaQaGa -x-x-x- î î î I î î î î î î

f. ^{Svstème et} milieu extérieur

- Le

^<< système >>

est la partie limitée de matière que l'on

étudie,

obsenre,..

- Par

opposition,

on

appelle << entourage

) ^ou

^<<

^milieu extérieur

^>>, tout ce qui est extérietn du système (tout le reste).

Exemples :

(1) L'étude de la fusion du ^glaçon et I'eau liquide

dans

un

verre contenant

du thermomètre;

dans

ce

cas

le

système constitue le glaçon et I'eau tandis que le verre et le thermomètre appartiennent au

milieu

extérieur.

(2) La

preparation

de

dioxygène

par

chauffage

à l'aide de I'alcool

à

brûler, du K\zInOa dans un tube

thermorésistant,

le

^dioxygène

déplace

I'eau

dans

le

tube de prélèvement de

gaz;

dans ce cas le système

constitue KVInO4 et le dioxygèn€, ptr contre, le

tube thermorésistant,

le

tube de prélèvement de gaz et

l'alcool

à brûler appartiennent au

milieu

extérieur.

II. Modifications apportées au svstème

Les modifications

apportées

à un

système

est un

changement de quelques propriétés

tels que les

changements

de

masse,

de

volume, d'énergie, de pression et le type des substances dans le système.

Les différents types d'énergie sont : énergie thermique,

énergie lumineuse, énergie

électrique,

énergie

cinétique,

énergie potentielle,

énergie chimique mais l'énergie impliquée dans la chimie

est

principalement l'énergie thermique. Il existe deux types

de transformation énergétique du système : changements endothermique et exothermique.

2.1.

Un

changement endothermique

est une transformation

pendant

laquelle le

système absorbe

la

chaleur

du milieu

extérieur ce qui

rend l'énergie du

système augmente

et la

température

du milieu

extérieur diminue. Voici ^{quelques exemples} d'absorption

de l'énergie :

fonte

de la neige, liquéfaction de la cire d'une chandelle, I'eau qui

bout...

tr. La matière et ses changements

Un changement endothermique peut s'écrire sous la

^forme

d'équation suivante :

Réactifs + énergie ^Produits

Exemple :

2

SO:(e) +

54

KJ -â

^{2 SOzGI}

+

OzG)

ou

²

SOr(e)

^{2 SOz(e)}

+ Oz<el AH: ⁺

⁵⁴

KJ

2.2.Chan gement exothermiq ue

Un

changement

exothermique est une transformation

pendant

laquelle de l'énergie est

^dégagée

ou ^perdue. On parle

aussi

d'émission

d'énergie

par un

système.

Le

système

rejet la

chaleur vers

le milieu

extérieur ce

qui

rend

la diminution

de

l'énergie

du système

et l'élévation de

température

du milieu extérieur,

^par

exemple, le brûlage de la bougie est une

transformation exothermique.

Un changement exothermique peut s'écrire sous la

^forme

d'équation suivante :

Réactifs ----) Produits + énergie

Exemple ^:

Nztel + 3lùtel -+ 2NH3@ + 92KJ

ou ^Nztgl + 3IIzG) € 2NHs(e) AH:-92K1

Milieu extérieur

j

^Schéma

représentant

les changements

endothermique

et

exothermique

' -, _{III. Enerqies liés aux} transformations du svstème

t-'én"rgi. est à l'origine de toutes les transformations,

autant

physiques que chimiques. Ces transformations comprennent:

les changements d'état, la solubilité et les réactions chimiques.

3.1.

PreDr:iétés énersétiques des chansements

d'état

En thermodynamique, un changement d'état est une transition de phase lors du passage

d'un

état de la matière à un autre. Les trois principaux états de la matière sont : solide, liquide et gaz.

Il

existe

6

changements d'états

d'un

corps

pur

comme

l'indique

le schéma ci-dessous :

Phénomène endothermique

(ÀH

> 0)

Phéromène exothermique (ÀH

< 0)

Schéma

représentant

les

différents

changements

d'état

Les changements d'états physiques sont accompagnés de l'énergie endothermique ou exothermique.

Le

changement d'état se

fait

à température constante. Pour cette raison, on parle de

chaleur

latente de transition.

La chaleur latente est la propriété caractéristique liée

au changement d'état.

La chaleur latente

de

fusion

est

l'énergie

absorbée par chaleur

par un

corps

lorsqu'il

passe

de l'état solide à l'état liquide

à température et pression constantes.

La chaleur latente de vaporisation

est

la

quantité

de

chaleur

qu'il

faut apporter par unité de masse à un corps pur liquide pour

l'obtenir à l'état

^gazeux

à la

même température sous pression constante.

La chaleur associée au changement d'état se divise en deux cas ^:

a

tr. La matière et ses changements

(1) Le transfert thermique accompaenant le

chansement nce

Si un apport de

chaleur

ne produit

aucun changement de

tempérahre, une masse (m) de la

^substance

subit

un changement d'état. La relation devient :

AH=mL

ÀÉI : quantité de chaleur (en

KJ

:

kilojoule) m

: masse de la substance (en

Kg)

L :

chaleur latente du changement d'état en KJÆ(g ^(L19 pour

la

chaleur latente de fusion et L1n;

pour la

chaleur latente de vaporisation)

(2) Le transfert thermique nrovoque un chansement

de

température

de substance

Lorsqu'un corps

de

masse (m) subit une variation

de température,

la

quantité de chaleur absorbée

ou

cédée par le corps est donnée par la relation :

AH ₌ mc^t

AH

: quantité de chaleur (en

KJ

:

kilojoule) m

: masse de la substance (en

Kg)

c : chaleur massique de la substance (en

KJ/trQ'C) At

: variation de température

Exemple ⁽¹⁾

Calculer la quantité ile chaleur pour transformer 3

Kg

d'eau liquide à 30oC et sous pression de 1 atrn en vapeur d'eau

à

100oC

et

1 atm

(la

chaleur latente

de

vaporisation

de l'eau

est

2256

KJÆQ et la chaleur massique de

I'eau

est 4,2 KJÆQ"C)

Solution

Données de l'énoncé :

m:3 ^Kg

;

L:2256 K/trQ;

c:4,2

KJÆQ.C _;

At:

¹⁰⁰

_-

³⁰

:

_70"C

eau 3 Kg 100'C vapeur d'eau 3 Kg 100'C

Calculer la quantité de chaleur totale (AFI) :

ÂfI:

^ÂH1

*

AH2

: _mcAt

+

mL

:

₍₃

_Kg x4,2KI/KgoCxT0oC)

+ (3

Kgx2256 KJ/Kg)

:

_{882 KJ + 6768}

_KJ

ÂH =

⁷⁶⁵⁰

I(I

La ^quantite de chaleur totale est 7650

KJ

Exemple (2)

Pour

que 2

Kg

de vapeur d'eau

à

100"C se

solidifient

totalement à OoC, quelle est la quantité de chaleur dégagée par ce système ?

Sachant

que la

chaleur latente

de

vaporisation

de I'eau

est de 2256

K/tr(g,

la chaleur latente de fusion est de 334,8 KJÆ(g et la chaleur massique de l'eau est de

4,ZKffKg"C.

Solution

Données de l'énoncé

: m= 2Kg; c:

^4,2

^KJ/Kg'C

; L(o)

: 2256ICIlKg ;

^Lro

^{:334,8 KJ/Kg} ; At:

100

-

⁰

:

_100oC

AH1

:

_{rnl-lvy i}

AH2:mcAt; ÀFI3:rnl-1j

Calculer la quantité de chaleur totale

(AH)

:

AH:

^AH11n;

* AHz +

AH3

:

_ml-lu;

_{* mcAt + mLç'}

: ₍₂

_{x2256 ) +}

₍₂

_{x4,2x 100) +}

_{(2 x334,8)} :

₄₅₁₂

+

₈₄₀

+

669,6

ÂH = 6021,6IçI

La quantité de chaleur totale est 602116

KJ 3.2. Énersie

de

dissolution

Une

dissolution est

un

^phénomène au cours duquel

le

soluté se

dissout dans un solvant. En général, le solvant utilisé est de l'eau.

Pour les composés organiques,

ils

sont dissous dans des solvants organiques

tels

que

l'éthanol, le

benzène...

Une

dissolution est accompagnée d'un transfert d'énergie entre le soluté et le solvant.

Cette énergie peut être exothermique ou endothermique.

vapeur d'eau 2 Kg 100'C

II. La matière et ses changements

La

dissolution des corps solides dans

l'eau

se déroule en deux étapes avec l'échange d'énergie suivante :

Étape

1

: ^les

solides se transforment

en

petites particules, ce processus est endothermique car

il

^ya I'absorption de l'énergie.

E;ta,oe

2: les particules des solides sont reparties dans

les

molécules d'eau. Ce

^processus

est exothermique cal il y

^a

I'attraction de ces particules _{et des} molécules d'eau.

- Si l'énergie de l'étape 1

absorbé

est

supérieure

à

l'énergie libérée de l'étape

2:le

^processus est

endothermique.

- Si l'énergie de l'étape 1

absorbé

est inférieure à

l'énergie libérée de l'étape

2

^: le processus est exothermique.

Exemple: La dissolution du

chlorure

de

sodium dans

l'eau

se

transforme ainsi :

- Étape I : le chlorure de sodium se transforme en

^petites

particules (cation et anion), ce processus absorbe la chaleur de 788 KJ/mol (788 KJ par 58,5 g de

NaCt)

, ^NaC0(r) +

788

KJ

-+ ^Nal"r + Ct a

-

^Etape

2:

^les particules formées par

le

chlorure de sodium tel que

Nair,

et Cl,Trront une interaction avec des molécules d'eau

et

dégage la chaleur de 784

KJ

Nal"r + cLà,

^H"o

> NuL, + ctrr, +

⁷⁸⁴

KJ

En conclusion, la dissolution de 58,5 g de

NaC,8, dans I'eau absorbe la chaleur de 788

-784:4

^KJ

3.3.

Réactions chimiques et énersies

De

nombreuses réactions

chimiques

consoflrment

de

l'énergie

(transformations endothermiques) ou libèrent de

^l'énergie

(transformations exothermique s ).

- ^Une réaction

dans

laquelle de l'énergie est

dégagée

vers

le

milieu

extérieur est appelée réaction exothermique.

Exemple : On peut faire du feu sans allumette si

l'on

mélange

le glycérol à du

permanganate (KIVIIIO4)

en ^poudre. La

réaction est très lente au début (on n'obsenre rien durant les 30 premières secondes),

puis

elle est tellement exothermique que la réaction s'emballe, provoquant

I'inflammation

du mélange :

-

Une réaction où l'énergie est absorbée du

milieu

extérieur est appelée réaction endothermique.

Exemple

: ^La réaction entre I'hydroxyde de calcium et

^le

chlorure d' ammonium est endothermique.

aaGGQAGQGA -X-X-X- î î î î î î î î ^e I

l.

Calculer la quantité de chaleur utilisée pour transformer 0,5 kg de glaçon en vapeur d'eau. On donne la chaleur latente de fusion : 334,8 KJ/trQ _;

la

chaleur latente de vaporisation

:

2256

KJ/Kg et la

chaleur massique de I'eau

:4,2KJ/Kg"C.

2. Quelle est la quantité de chaleur utilisée pour que 4 dm3 d'eau à 20oC et sous pression de

I

aftn se transforme totalement en vapeur d'eau à 100oC

et

1 atm

? La

chaler.r latente de vaporisation de

l'eau

est 2256

KJ/Kg

et la chaleur massique de

I'eau

est 4,2 KJÆ(g'C.

(Donnée : la masse volumique de

I'eau

à20"C et 1

atm:

0,998

Kg/d*')

3. Quelle ^est la quantité de chaleur utilisée pour transformer 0,5

mol

d'eau

à

100"C et sous pression

de

1 atm en eau solide à OoC et sous pression constante ?

La

chaleur latente de vaporisation de

I'eau

est 2256

K/Kg,

la chaleur latente de fusion est de 334,8

KJ/Kg

et la chaleur massique de

l'eau

est 4,2 KJÆ(g'C.

aaQGaGaGa€ -x-x-x- î î ^e î î î î î î e