Le problème de la glace à la vapeur est un problème classique de devoirs d’énergie thermique. Cela décrira les étapes nécessaires pour résoudre ce problème et fera un suivi avec un exemple de problème travaillé.

La quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d’un matériau est proportionnelle à la masse ou à la quantité du matériau et à l’ampleur du changement de température.

L’équation la plus couramment associée à la chaleur nécessaire est

Q=mcΔT

où
Q=Énergie thermique
m=masse
c= chaleur spécifique
ΔT=changement de température = (Tfinal-Tinitial)

Une bonne façon de se souvenir de cette formule est Q= »em cat”.

Vous remarquerez peut-être que si la température finale est inférieure à la température initiale, la chaleur sera négative. Cela signifie que lorsque le matériau se refroidit, l’énergie est perdue par le matériau.

Cette équation ne s’applique que si le matériau ne change jamais de phase à mesure que la température change. Une chaleur supplémentaire est nécessaire pour passer d’un solide à un liquide et lorsqu’un liquide est transformé en gaz. Ces deux valeurs de chaleur sont connues sous le nom de chaleur de fusion (solide ↔ liquide) et de chaleur de vaporisation (liquide ↔ gaz). Les formules pour ces chaleurs sont

Q= m*ΔHf
et
Q= m* ΔHv

où
Q=Énergie thermique
m=masse
ΔHf= chaleur de fusion
ΔHv=chaleur de vaporisation

La chaleur totale est la somme de toutes les étapes individuelles de changement de chaleur.

Mettons cela en pratique avec ce problème de glace à vapeur.

Problème de la glace en vapeur

Question: Combien de chaleur faut-il pour convertir 200 grammes de glace à -25 °C en vapeur à 150 °C?
Informations utiles:
Chaleur spécifique de la glace = 2,06 J/g°C
Chaleur spécifique de l’eau = 4,19 J/g°C
Chaleur spécifique de la vapeur d’eau = 2.03 J / g ° C
Chaleur de fusion de l’eau ΔHf = 334 J / g
Point de fusion de l’eau = 0 ° C
Chaleur de vaporisation de l’eau ΔHv = 2257 J / g
Point d’ébullition de l’eau = 100 ° C

Solution: Le chauffage de la glace froide en vapeur chaude nécessite cinq étapes distinctes:

1. Chaleur -25 ° C glace à 0 ° C glace
2. Faire fondre 0 ° C glace solide en 0 ° C °C eau liquide
3. Chauffer 0 ° C eau à 100 ° C eau
4. Faire bouillir 100 ° C eau liquide dans de la vapeur gazeuse à 100 ° C
5. Chauffer 100 ° C vapeur à 150 ° C vapeur

Étape 1: Chauffer -25 ° C glace à 0 ° C glace.

L’équation à utiliser pour cette étape est « em cat”

Q1= mcΔT

où
m= 200 grammes
c= 2,06 J/g °C
Tinitial =-25 °C
Tfinal = 0 °C

ΔT =(Tfinal–
ΔT = (0 ° C – (-25 ° C))
ΔT = 25 °C

Q1= mcΔT
Q1 = (200 g)· (2,06 J / g ° C)· (25 ° C)
Q1= 10300 J

Étape 2: Faire fondre de la glace solide à 0 ° C dans de l’eau liquide à 0 ° C.

L’équation à utiliser est l’équation de la chaleur de fusion:

Q2= m · ΔHf
où
m = 200 grammes
ΔHf = 334 J / g
Q2 = m · ΔHf
Q2 = 200 · 334 J / g
Q2 = 66800 J

Étape 3: Chauffer de l’eau de 0 ° C à 100 ° C.

L’équation à utiliser est à nouveau « em cat ».

Q3 = mcΔT

où
m= 200 grammes
c= 4,19 J/ g ° C
Tinitial = 0 ° C
Tfinal = 100 ° C

ΔT = (Tfinal–Tinitial)
ΔT = (100 ° C – 0 ° C)
ΔT = 100 ° C

Q3 = mcΔT
Q3 = (200 g) · (4,19 J / g ° C) · (100 ° C)
Q3 = 83800 J

Étape 4: Faire bouillir de l’eau liquide à 100 ° C dans de la vapeur gazeuse à 100 ° C.

Cette fois, l’équation à utiliser est l’équation de chaleur de vaporisation :

Q4= m· ΔHv

où
m= 200 grammes
ΔHv= 2257 J/g

Q4= m· ΔHf
Q4 = 200 ·2257 J/g
Q4 = 451400 J

Étape 5 : Chauffer de la vapeur de 100 °C à de la vapeur de 150 °C

Une fois de plus, la formule « em cat” est celle à utiliser.

Q5 = mcΔT

où
m= 200 grammes
c= 2,03 J/g ° C
Tinitial= 100 °C
Tfinal = 150 °C

ΔT =(Tfinal–Tinitial)
ΔT = (150 ° C– 100 ° C)
ΔT = 50 ° C

Q5= mcΔT
Q5 = (200 g) · (2.03 J / g ° C·* (50 ° C)
Q5 = 20300 J

Trouvez la chaleur totale

Pour trouver la chaleur totale de ce processus, additionnez toutes les parties individuelles ensemble.

Qtotal = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5
Qtotal =10300 J +66800 J + 83800 J +4514400 J +20300 J
Qtotal = 632600 J = 632,6 kJ

Réponse: La chaleur nécessaire pour convertir 200 grammes de glace de -25 °C en vapeur de 150 °C est 632600 Joules ou 632,6 kiloJoules.

Le point principal à retenir avec ce type de problème est d’utiliser le « em cat” pour les parties où aucun changement de phase ne se produit. Utilisez l’équation de la chaleur de fusion lors du passage du solide au liquide (fusibles liquides en un solide). Utilisez la chaleur de vaporisation lors du passage du liquide au gaz (le liquide se vaporise).

Un autre point à garder à l’esprit est que les énergies thermiques sont négatives lors du refroidissement. Chauffer un matériau signifie ajouter de l’énergie au matériau. Le refroidissement d’un matériau signifie que le matériau perd de l’énergie. Assurez-vous de surveiller vos panneaux.

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