Physique thermique

Fusion, vaporisation, condensation

Étudiez la courbe de chauffage de l’eau : sur les pentes la température monte selon $Q=mc\Delta T$ , tandis qu’à la fusion et à l’ébullition elle reste horizontale car l’énergie sert au changement d’état $Q=mL$ . Faites varier l’énergie fournie et la masse pour mesurer les paliers.

Collège

Matériel

Récipient virtuel glace–eau–vapeur avec graphe température–énergie
Curseur d’énergie fournie (0–100 %)
Curseur de masse d’eau (100–1000 g)
Affichage de l’étape de chauffage en cours

Protocole

Identifier les segments de la courbe
Tirez le curseur d’énergie depuis 0 et lisez l’étape : d’abord « réchauffage de la glace », puis le palier « fusion près de 0 °C », puis « réchauffage de l’eau », le palier « ébullition près de 100 °C », enfin « chauffage de la vapeur ». Notez les frontières de chaque segment.
Vérifier les paliers de changement d’état
Arrêtez le curseur au milieu de la fusion : l’énergie croît mais la température reste à 0 °C — la chaleur latente $Q=mL_f$ rompt les liaisons cristallines au lieu d’augmenter l’énergie cinétique. À 100 °C, le palier de vaporisation est bien plus long car $Q=mL_v$ est plus grand.
Modifier la masse et prédire
Portez la masse de 500 g à 1000 g et observez : tous les segments doublent car $mc\Delta T$ et $mL$ sont proportionnels à la masse. Prédisez l’énergie pour vaporiser 300 g d’eau et vérifiez sur le graphe.

Simulation

Histoire de l’expérience

Joseph Black, enseignant à Glasgow dans les années 1760, remarqua que la glace fondante absorbe de la chaleur sans se réchauffer — il nomma cette chaleur « latente » et la distingua de la chaleur « sensible » qui déplace le thermomètre. Cette distinction aida James Watt à améliorer la machine à vapeur avec un condenseur séparé. Le changement d’état fut ensuite intégré à la thermodynamique : le palier de la courbe reflète la croissance de l’entropie

S=Q/T

à température constante. Les chaleurs latentes de l’eau mesurées aujourd’hui sont ~334 kJ/kg (fusion) et ~2260 kJ/kg (vaporisation) à 1 atm — exactement le rapport des deux paliers.

Physiciens associés

Rudolf Clausius James Prescott Joule William Thomson (Lord Kelvin)

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