Qu’est-ce que la chaleur latente ? Définition et exemples

Chaleur latente spécifique (L) est défini comme la quantité d’énergie thermique (chaleur, Q) qui est absorbée ou libérée lorsqu’un corps subit un processus à température constante. L’équation pour la chaleur latente spécifique est :

L = Q / m

où :

• L est la chaleur latente spécifique
• Q est la chaleur absorbée ou libérée
• m est la masse d’une substance

Les types de processus à température constante les plus courants sont les changements de phase, tels que la fusion, la congélation, la vaporisation ou la condensation. L’énergie est considérée comme « latente » car elle est essentiellement cachée dans les molécules jusqu’à ce que le changement de phase se produise. Elle est « spécifique » parce qu’elle est exprimée en termes d’énergie par unité de masse. Les unités les plus courantes de chaleur latente spécifique sont les joules par gramme (J/g) et les kilojoules par kilogramme (kJ/kg).

La chaleur latente spécifique est une propriété intensive de la matière. Sa valeur ne dépend pas de la taille de l’échantillon ni de l’endroit où il est prélevé dans une substance.

Histoire

Le chimiste britannique Joseph Black a introduit le concept de chaleur latente quelque part entre les années 1750 et 1762. Les fabricants de whisky écossais avaient engagé Black pour déterminer le meilleur mélange de carburant et d’eau pour la distillation et pour étudier les changements de volume et de pression à une température constante. Black a appliqué la calorimétrie pour son étude et a enregistré les valeurs de chaleur latente.

Le physicien anglais James Prescott Joule a décrit la chaleur latente comme une forme d’énergie potentielle. Joule pensait que l’énergie dépendait de la configuration spécifique des particules dans une substance. En fait, c’est l’orientation des atomes au sein d’une molécule, leur liaison chimique et leur polarité qui affectent la chaleur latente.

Types de transfert de chaleur latente

La chaleur latente et la chaleur sensible sont deux types de transfert de chaleur entre un objet et son environnement. Des tableaux sont établis pour la chaleur latente de fusion et la chaleur latente de vaporisation. La chaleur sensible, quant à elle, dépend de la composition d’un corps.

• Chaleur latente de la fusion: La chaleur latente de fusion est la chaleur absorbée ou libérée lorsque la matière fond, passant de la forme solide à la forme liquide à une température constante.
• Chaleur latente de la vaporisation: La chaleur latente de vaporisation est la chaleur absorbée ou libérée lorsque la matière se vaporise, passant de la phase liquide à la phase gazeuse à une température constante.
• Chaleur sensible: Bien que la chaleur sensible soit souvent appelée chaleur latente, il ne s’agit pas d’une situation de température constante, ni d’un changement de phase. La chaleur sensible reflète le transfert de chaleur entre la matière et son environnement. C’est la chaleur qui peut être « détectée » comme un changement de température d’un objet.

Tableau des valeurs spécifiques de chaleur latente

Il s’agit d’un tableau de la chaleur latente spécifique (SLH) de fusion et de vaporisation pour les matériaux courants. Notez les valeurs extrêmement élevées pour l’ammoniac et l’eau par rapport à celles des molécules non polaires.

Matériel
Point de fusion (°C)
Point d’ébullition (°C)
SLH de FusionkJ/kg
SLH de VaporisationkJ/kg

Ammoniac
−77.74
−33.34
332.17
1369

Dioxyde de carbone
−78
−57
184
574

Alcool éthylique
−114
78.3
108
855

Hydrogène
−259
−253
58
455

Chef de file
327.5
1750
23.0
871

Azote
−210
−196
25.7
200

Oxygène
−219
−183
13.9
213

Réfrigérant R134A
−101
−26.6
—
215.9

Toluène
−93
110.6
72.1
351

Eau
0
100
334
2264.705

Chaleur et météorologie sensibles

Alors que la chaleur latente de fusion et de vaporisation est utilisée en physique et en chimie, les météorologues considèrent également la chaleur sensible. Lorsque la chaleur latente est absorbée ou libérée, elle produit une instabilité dans l’atmosphère, ce qui peut entraîner des phénomènes météorologiques violents. Le changement de la chaleur latente modifie la température des objets lorsqu’ils entrent en contact avec de l’air plus ou moins chaud. La chaleur latente et la chaleur sensible provoquent toutes deux le déplacement de l’air, produisant un vent et un mouvement vertical des masses d’air.

Exemples de chaleur latente et sensible

La vie quotidienne est remplie d’exemples de chaleur latente et sensible :

• L’ébullition de l’eau sur un poêle se produit lorsque l’énergie thermique de l’élément chauffant est transférée à la marmite et, à son tour, à l’eau. Lorsque l’énergie fournie est suffisante, l’eau liquide se dilate pour former de la vapeur d’eau et l’eau bout. Une énorme quantité d’énergie est libérée lorsque l’eau bout. Comme l’eau a une chaleur de vaporisation si élevée, il est facile de se faire brûler par la vapeur.
• De même, une énergie considérable doit être absorbée pour transformer l’eau liquide en glace dans un congélateur. Le congélateur élimine l’énergie thermique, permettant ainsi la transition de phase. L’eau possède une chaleur latente de fusion élevée, de sorte que la transformation de l’eau en glace nécessite l’extraction de plus d’énergie que la congélation de l’oxygène liquide en oxygène solide, par unité de gramme.
• La chaleur latente provoque l’intensification des ouragans. L’air se réchauffe lorsqu’il traverse l’eau chaude et capte la vapeur d’eau. Lorsque la vapeur se condense pour former des nuages, la chaleur latente est libérée dans l’atmosphère. Cette chaleur supplémentaire réchauffe l’air, produisant une instabilité et aidant les nuages à se lever et la tempête à s’intensifier.
• Une chaleur sensible est libérée lorsque le sol absorbe l’énergie de la lumière du soleil et se réchauffe.
• Le refroidissement par la transpiration est affecté par la chaleur latente et sensible. Lorsqu’il y a de la brise, le refroidissement par évaporation est très efficace. La chaleur est dissipée loin du corps en raison de la chaleur latente élevée de la vaporisation de l’eau. Cependant, il est beaucoup plus difficile de se rafraîchir dans un endroit ensoleillé que dans un endroit ombragé, car la chaleur sensible de la lumière solaire absorbée entre en concurrence avec l’effet de l’évaporation.

Sources

• Bryan, G.H. (1907). Thermodynamique. Un traité d’introduction traitant principalement des premiers principes et de leurs applications directes. B.G. Teubner, Leipzig.
• Clark, John, O.E. (2004). Le Dictionnaire essentiel des sciences. Barnes & Noble Books. ISBN 0-7607-4616-8.
• Maxwell, J.C. (1872). Theory of Heat, troisième édition. Longmans, Green, and Co, Londres, page 73.
• Perrot, Pierre (1998). De A à Z de la thermodynamique. Oxford University Press. ISBN 0-19-856552-6.