COURBE DE CHAUFFE: QU'EST-CE QUE C'EST, COMMENT ÇA SE FAIT, EXEMPLES - PHYSIQUE - 2025

Une courbe de chauffage est la représentation graphique de la façon dont la température d'un échantillon varie en fonction du temps, en maintenant la pression constante et en ajoutant de la chaleur uniformément, c'est-à-dire à une vitesse constante.

Pour construire un graphique de ce type, des paires de valeurs de température et de temps sont prises, qui sont ensuite tracées en plaçant la température sur l'axe vertical (ordonnée) et le temps sur l'axe horizontal (abscisse).

Figure 1. La courbe de chauffage d'une substance est obtenue en ajoutant de la chaleur et en mesurant la température à chaque intervalle de temps. Source: Pixabay.

Puis la courbe la plus appropriée est ajustée à ces points expérimentaux et enfin un graphique de la température T en fonction du temps t: T (t) est obtenu.

Quelle est la courbe de chauffe?

En s'échauffant, une substance passe successivement par différents états: de solide, elle peut devenir une vapeur, passant presque toujours à l'état liquide. Ces processus sont appelés changements d'état, dans lesquels l'échantillon augmente son énergie interne tandis que de la chaleur est ajoutée, comme indiqué par la théorie cinétique moléculaire.

Lors de l'ajout de chaleur à un échantillon, il existe deux possibilités:

- La substance augmente sa température, étant donné que ses particules sont agitées avec une plus grande intensité.

- Le matériau subit un changement de phase, dans lequel la température reste constante. L'ajout de chaleur a pour effet d'affaiblir dans une certaine mesure les forces qui maintiennent les particules ensemble, facilitant le passage de la glace à l'eau liquide, par exemple.

La figure 2 montre les quatre états de la matière: solide, liquide, gazeux et plasma, ainsi que les noms des processus qui permettent la transition entre eux. Les flèches indiquent la direction du processus.

Figure 2. Les états de la matière et les processus nécessaires pour passer de l'un à l'autre. Source: Wikimedia Commons.

-Changements d'état d'une substance

À partir d'un échantillon à l'état solide, lorsqu'il fond, il passe à l'état liquide, lorsqu'il se vaporise, il se transforme en gaz et par ionisation, il se transforme en plasma.

Le solide peut être converti directement en gaz par un processus appelé sublimation. Il existe des substances qui se subliment facilement à température ambiante. Le plus connu est le CO ₂ ou neige carbonique, ainsi que le naphtalène et l'iode.

Pendant que l'échantillon subit un changement d'état, la température reste constante jusqu'à ce qu'il atteigne le nouvel état. Cela signifie que si, par exemple, vous avez une portion d'eau liquide qui a atteint son point d'ébullition, sa température reste constante jusqu'à ce que toute l'eau se soit transformée en vapeur.

Pour cette raison, la courbe de réchauffement devrait être composée d'une combinaison de sections croissantes et de sections horizontales, ces dernières correspondant à des changements de phase. L'une de ces courbes est représentée sur la figure 3 pour une substance donnée.

Figure 3. Une courbe de chauffe d'une substance donnée, avec la configuration typique basée sur les marches et les pentes.

Interprétation de la courbe de chauffe

Dans les intervalles de croissance ab, cd et ef, la substance se trouve respectivement sous forme de solide, de liquide et de gaz. Dans ces régions, l'énergie cinétique augmente et avec elle la température.

Alors qu'en Colombie-Britannique, il passe de l'état solide à l'état liquide, les deux phases coexistent donc. Cela se produit dans la section de, dans laquelle l'échantillon passe du liquide au gaz. Ici, l'énergie potentielle change et la température reste constante.

La procédure inverse est également possible, c'est-à-dire que l'échantillon peut être refroidi pour adopter successivement d'autres états. Dans ce cas, on parle d'une courbe de refroidissement.

Les courbes d'échauffement ont le même aspect général pour toutes les substances, bien que bien entendu pas les mêmes valeurs numériques. Certaines substances mettent plus de temps que d'autres à changer d'état, et elles fondent et se vaporisent à différentes températures.

Ces points sont appelés respectivement point de fusion et point d'ébullition et sont des caractéristiques de chaque substance.

C'est pourquoi les courbes de chauffe sont très utiles, car elles indiquent la valeur numérique de ces températures pour des millions de substances qui existent sous forme de solides et de liquides dans la gamme de températures considérées normales et à pression atmosphérique.

Comment faites-vous une courbe d'échauffement?

En principe, c'est très simple: il suffit de placer un échantillon de substance dans un récipient équipé d'un agitateur, d'insérer un thermomètre et de chauffer uniformément.

Simultanément, au début de la procédure, un chronomètre est activé et les couples température-temps correspondants sont notés de temps en temps.

La source de chaleur peut être un brûleur à gaz, avec une bonne vitesse de chauffe, ou une résistance électrique qui émet de la chaleur lorsqu'elle est chauffée, qui peut être connectée à une source variable pour atteindre différentes puissances.

Pour plus de précision, il existe deux techniques largement utilisées dans le laboratoire de chimie:

- Analyse thermique différentielle.

- Calorimétrie à balayage différentiel.

Ils comparent la différence de température entre l'échantillon étudié et un autre échantillon de référence à température de fusion élevée, presque toujours un oxyde d'aluminium. Avec ces méthodes, il est facile de trouver les points de fusion et d'ébullition.

Exemples (eau, fer…)

Considérez les courbes de chauffage de l'eau et du fer indiquées sur la figure. L'échelle de temps n'est pas représentée, cependant il est immédiat de distinguer les températures de fusion pour les deux substances qui correspondent au point B de chaque graphique: pour l'eau 0 º C, pour le fer 1500 º C.

Figure 4. Courbes de chauffage pour l'eau et le fer.

L'eau est une substance universelle et la plage de températures nécessaire pour voir ses changements d'état est facile à réaliser en laboratoire. Des températures beaucoup plus élevées sont nécessaires pour le fer, mais comme indiqué ci-dessus, la forme du graphique ne change pas sensiblement.

Faire fondre la glace

Lors du chauffage de l'échantillon de glace, selon le graphique, nous sommes au point A, à une température inférieure à 0 ° C. On observe que la température augmente à vitesse constante jusqu'à atteindre 0 ° C.

Les molécules d'eau dans la glace vibrent avec une plus grande amplitude. Une fois la température de fusion (point B) atteinte, les molécules peuvent déjà se déplacer l'une en face de l'autre.

L'énergie qui arrive est investie dans la réduction de la force d'attraction entre les molécules, de sorte que la température entre B et C reste constante jusqu'à ce que toute la glace ait fondu.

Transformer l'eau en vapeur

Une fois que l'eau est complètement à l'état liquide, la vibration des molécules augmente à nouveau et la température augmente rapidement entre C et D jusqu'au point d'ébullition de 100 ° C. Entre D et E la température reste à cette valeur tandis que l'énergie qui arrive assure que toute l'eau du récipient s'évapore.

Si toute la vapeur d'eau peut être contenue dans un récipient, celui-ci peut continuer à chauffer du point E au point F, dont la limite n'est pas indiquée sur le graphique.

Un échantillon de fer peut subir ces mêmes changements. Cependant, compte tenu de la nature du matériau, les plages de température sont très différentes.

Références

1. Atkins, P. Principes de chimie: les chemins de la découverte. Éditorial Médica Panamericana. 219-221.
2. Chung, P. Courbes de chauffage. Récupéré de: chem.libretexts.org.
3. Courbes de chauffage. Chaleur de fusion et de vaporisation. Récupéré de: wikipremed.com.
4. Hewitt, Paul. 2012. Science physique conceptuelle. 5ème. Ed. Pearson. 174-180.
5. Université de Valladolid. Diplôme en chimie, récupéré de: accommodation.uva.es.