Chaleur latente

Chaleur latente, énergie absorbée ou libérée par une substance lors d’un changement de son état physique (phase) qui se produit sans modifier sa température. La chaleur latente associée à la fusion d’un solide ou à la congélation d’un liquide est appelée chaleur de fusion ; celle associée à la vaporisation d’un liquide ou d’un solide ou à la condensation d’une vapeur est appelée chaleur de vaporisation. La chaleur latente est normalement exprimée comme la quantité de chaleur (en unités de joules ou de calories) par mole ou unité de masse de la substance subissant un changement d’état.

Par exemple, lorsqu’une casserole d’eau est maintenue en ébullition, la température reste à 100 °C (212 °F) jusqu’à ce que la dernière goutte s’évapore, car toute la chaleur ajoutée au liquide est absorbée sous forme de chaleur latente de vaporisation et emportée par les molécules de vapeur qui s’échappent. De même, lorsque la glace fond, elle reste à 0 °C (32 °F), et l’eau liquide qui se forme avec la chaleur latente de fusion est également à 0 °C. La chaleur de fusion de l’eau à 0 °C est d’environ 334 joules (79,7 calories) par gramme, et la chaleur de vaporisation à 100 °C est d’environ 2 230 joules (533 calories) par gramme. Comme la chaleur de vaporisation est très importante, la vapeur transporte une grande quantité d’énergie thermique qui est libérée lorsqu’elle se condense, ce qui fait de l’eau un excellent fluide de travail pour les moteurs thermiques.

La chaleur latente provient du travail nécessaire pour surmonter les forces qui maintiennent ensemble les atomes ou les molécules d’un matériau. La structure régulière d’un solide cristallin est maintenue par des forces d’attraction entre ses atomes individuels, qui oscillent légèrement autour de leurs positions moyennes dans le réseau cristallin. À mesure que la température augmente, ces mouvements deviennent de plus en plus violents jusqu’à ce que, au point de fusion, les forces d’attraction ne soient plus suffisantes pour maintenir la stabilité du réseau cristallin. Cependant, il faut ajouter de la chaleur supplémentaire (la chaleur latente de fusion) (à température constante) afin de réaliser la transition vers l’état liquide encore plus désordonné, dans lequel les particules individuelles ne sont plus maintenues dans des positions fixes du réseau mais sont libres de se déplacer dans le liquide. Un liquide diffère d’un gaz en ce que les forces d’attraction entre les particules sont encore suffisantes pour maintenir un ordre à longue portée qui confère au liquide un certain degré de cohésion. Lorsque la température augmente encore, un deuxième point de transition (le point d’ébullition) est atteint, où l’ordre à longue portée devient instable par rapport aux mouvements largement indépendants des particules dans le volume beaucoup plus grand occupé par une vapeur ou un gaz. Une fois encore, il faut ajouter de la chaleur supplémentaire (la chaleur latente de vaporisation) pour briser l’ordre à longue portée du liquide et accomplir la transition vers l’état gazeux largement désordonné.

La chaleur latente est associée à des processus autres que les changements entre les phases solide, liquide et vapeur d’une même substance. De nombreux solides existent sous différentes modifications cristallines, et les transitions entre celles-ci impliquent généralement l’absorption ou le dégagement de chaleur latente. Le processus de dissolution d’une substance dans une autre implique souvent de la chaleur ; si le processus de solution est un changement strictement physique, la chaleur est une chaleur latente. Parfois, cependant, le processus s’accompagne d’un changement chimique, et une partie de la chaleur est celle associée à la réaction chimique. Voir aussi la fusion.