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Changements de phase et réfrigération: |
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Auteurs: Rachel Casiday et Regina Frey |
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- Heat Engines
- Reverse Heat Engines (e.g.,, Réfrigérateurs)
- Phases de la Matière
- Solide
- Liquide
- Gaz
- Transitions de phase
- Fusion/ Congélation
- Vaporisation/ condensation
- Sublimation/ Dépôt
- Rupture ou Formation d’Attractions Intermoléculaires dans les Transitions de Phase
- Changement d’Enthalpie (ΔH) des Transitions de Phase
- Cycle de réfrigération
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Introduction: Moteurs thermiques et réfrigération
La réfrigération a permis de grands progrès dans notre capacité à stocker des aliments et d’autres substances en toute sécurité pendant de longues périodes. La même technologie utilisée pour faire fonctionner les réfrigérateurs est également utilisée dans les climatiseurs. Comment fonctionne cette technologie pour produire de l’air frais quand les conditions extérieures sont chauds?, Comme nous le verrons, les réfrigérateurs (et les climatiseurs) reposent sur l’application thermodynamique connue sous le nom de moteur thermique, ainsi que sur les propriétés moléculaires de la substance contenue dans les bobines du réfrigérateur.
L’une des applications pratiques les plus importantes des principes de la thermodynamique est le moteur thermique (Figure 1). Dans le moteur thermique, la chaleur est absorbée par une « substance de travail » à haute température et partiellement convertie en travail. Les moteurs thermiques ne sont jamais efficaces à 100%, car la chaleur restante (c’est-à-dire,, la chaleur n’est pas convertie au travail) est libéré dans les environs, qui sont à une température plus basse. Les machines à vapeur utilisées pour alimenter les premiers trains et les générateurs électriques sont des moteurs thermiques dans lesquels l’eau est la substance active. Dans un moteur thermique inversé (figure 2), l’effet inverse se produit. Le travail est converti en chaleur, qui est libérée.
la Figure 1
Dans un moteur thermique, un apport de chaleur provoque une augmentation de la température de travail de la substance, permettant le travail de la substance à effectuer des travaux., Dans ce schéma, la substance de travail est l’eau. À haute température, l’eau gazeuse (vapeur) pousse un piston, ce qui fait tourner une roue. C’est le mécanisme essentiel par lequel les trains à vapeur fonctionnent.
la Figure 2
Dans un revers de la chaleur du moteur, un travail d’entrée est convertie en chaleur. Dans ce cas, le travail (généré par l’électricité) condense l’eau gazeuse (vapeur) et la pousse dans une bobine d’échange de chaleur., Dans la bobine, la température de l’eau diminue comme il se liquéfie, libérant de la chaleur à l’environnement.
En 1851, le médecin de Floride John Gorrie a obtenu le premier brevet américain pour une machine de réfrigération, qui utilise un moteur thermique inversé (Figure 2) comme première étape de son fonctionnement. Gorrie, convaincu que le remède contre le paludisme était froid parce que les épidémies ont pris fin en hiver, a cherché à développer une machine qui pourrait faire de la glace et refroidir la chambre d’un patient pendant l’été chaud de la Floride. Dans M., Dans le réfrigérateur de Gorrie, l’air a été comprimé à l’aide d’une pompe, ce qui a provoqué une augmentation de la température de l’air (échange de travail contre de la chaleur). Faire passer cet air comprimé à travers des tuyaux dans un bain d’eau froide libérait la chaleur dans l’eau. L’air a ensuite été autorisé à se dilater à nouveau à la pression atmosphérique, mais comme il avait perdu de la chaleur dans l’eau, la température de l’air était plus basse qu’auparavant et pouvait être utilisée pour refroidir la pièce.
Les réfrigérateurs modernes fonctionnent selon le même principe de conversion du travail en chaleur, mais utilisent des substances autres que l’air., La substance de travail dans un réfrigérateur moderne s’appelle le liquide de refroidissement; le liquide de refroidissement passe du gaz au liquide à mesure qu’il passe de la température la plus élevée à la plus basse. Ce changement du gaz au liquide est une transition de phase, et l’énergie libérée lors de cette transition dépend principalement des interactions intermoléculaires de la substance.Par conséquent, pour comprendre le cycle de réfrigération utilisé dans les réfrigérateurs modernes, il est nécessaire de discuter d’abord des transitions de phase.
Phases et transitions de phase
La matière existe principalement en trois phases différentes (états physiques): solide, liquide et gazeuse., Une phase est une forme de matière dont la composition chimique et les propriétés physiques sont uniformes. Comme le montre la figure 3, une substance en phase solide a une forme et un volume définis; une substance en phase liquide n’a pas de forme définie, mais a un volume défini; une substance en phase gazeuse n’a pas de forme ou de volume défini, mais a une forme et un volume déterminés par la forme et la taille du,
Figure 3
Ce schéma montre les différences de propriétés physiques et de disposition des particules entre une substance dans les phases solide, liquide et gazeuse. Dans un solide, les particules sont emballées dans une configuration rigide, donnant à la substance une forme et une taille définies. Dans un liquide, les particules sont rapprochées mais peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres, donnant à la substance un volume défini mais une forme fluide., Dans un gaz, les particules peuvent occuper tout le volume du récipient, de sorte que leur forme et leur volume sont tous deux définis par le récipient.
Vue moléculaire (microscopique)
L’une des principales différences entre les trois phases illustrées à la figure 3 est le nombre d’interactions intermoléculaires qu’elles contiennent. Les particules dans un solide interagissent avec tous leurs voisins les plus proches, les particules dans un liquide interagissent avec seulement certaines des particules voisines, et les particules dans un gaz n’ont presque aucune interaction les unes avec les autres., En cassant ou en formant des interactions intermoléculaires, une substance peut changer d’une phase à l’autre. Par exemple, les molécules de gaz se condensent pour former des liquides en raison de la présence de forces intermoléculaires attrayantes. Plus les forces d’attraction sont fortes, plus la stabilité du liquide est grande (ce qui conduit à une température de point d’ébullition plus élevée). Un changement dans l’état physique de la matière est appelé une transition de phase. Les noms des transitions de phase entre le solide, le liquide et le gaz sont illustrés à la figure 4.,
Les transitions de phase sont similaires aux réactions chimiques car elles ont chacune un changement d’enthalpie associé. Alors qu’une réaction chimique implique la rupture et la formation de liaisons dans les molécules, les transitions de phase impliquent la rupture ou la formation de forces d’attraction intermoléculaires. Les transitions de phase impliquant la rupture d’attractions intermoléculaires ( telles que la fusion, la vaporisation et la sublimation) nécessitent un apport d’énergie pour surmonter les forces d’attraction entre les particules de la substance., Les transitions de phase impliquant la formation d’attractions intermoléculaires ( telles que la congélation, la condensation et le dépôt) libèrent de l’énergie lorsque les particules adoptent une conformation de plus faible énergie. La force des attractions intermoléculaires entre les molécules, et donc la quantité d’énergie nécessaire pour surmonter ces forces d’attraction (ainsi que la quantité d’énergie libérée lorsque les attractions sont formés) dépend des propriétés moléculaires de la substance. Généralement, plus une molécule est polaire, plus les forces d’attraction entre les molécules sont., Par conséquent, plus de molécules polaires nécessitent généralement plus d’énergie pour surmonter les attractions intermoléculaires et libérer plus d’énergie en formant des attractions intermoléculaires.,0; enthalpy decreases
(exothermic process)
(gas to liquid)
(exothermic process)
(gas to solid)
(exothermic process)
Figure 4
This diagram shows the names of the phase transitions between solids, liquids, and gases., La flèche à droite du diagramme montre que ces trois phases ont des enthalpies différentes: le gaz a l’enthalpie la plus élevée, le liquide a une enthalpie intermédiaire et le solide a l’enthalpie la plus basse.
Tableau 1
Ce tableau montre le signe du changement d’enthalpie pour chacune des transitions de phase décrites ci-dessus. Rappelons que les processus endothermiques ont un changement d’enthalpie positif et que les processus exothermiques ont un changement d’enthalpie négatif.,
Vue thermodynamique (macroscopique)
En plus de la vue microscopique présentée ci-dessus, nous pouvons décrire les transitions de phase en termes de propriétés macroscopiques et thermodynamiques. Il est important de garder à l’esprit que les vues microscopiques et macroscopiques sont interdépendantes; c’est-à-dire que les propriétés thermodynamiques, telles que l’enthalpie et la température, d’une substance dépendent du comportement moléculaire de la substance.
Les transitions de phase s’accompagnent de changements d’enthalpie et d’entropie., Dans ce tutoriel, nous nous intéresserons principalement aux changements d’enthalpie. Le changement d’énergie impliqué dans la rupture ou la formation d’attractions intermoléculaires est principalement fourni ou libéré sous forme de chaleur. L’ajout de chaleur provoque la rupture des attractions intermoléculaires. Comment cela se produit-il? La chaleur est un transfert d’énergie aux molécules, provoquant l’augmentation de leur mouvement tel que décrit par la théorie cinétique des gaz et affaiblissant ainsi les forces intermoléculaires qui maintiennent les molécules en place., De même, lorsque les molécules perdent de la chaleur, les attractions intermoléculaires sont renforcées; à mesure que la chaleur est perdue, les molécules se déplacent plus lentement et peuvent donc interagir davantage avec d’autres molécules voisines.
Étant donné que les changements de phase se produisent généralement à pression constante ( c’est-à-dire dans un récipient de réaction ouvert sur l’atmosphère), la chaleur peut être décrite par un changement d’enthalpie (ΔH=qp). Pour les transitions de phase impliquant la rupture des attractions intermoléculaires, de la chaleur est ajoutée et ΔH est positif, le système passe d’une phase à enthalpie inférieure à une phase à enthalpie supérieure (un processus endothermique)., Par conséquent, la fusion, la vaporisation et la sublimation sont toutes des transitions de phase endothermiques. Pour les transitions de phase impliquant la formation d’attractions intermoléculaires, la chaleur est libérée et ΔH est négative, car le système passe d’une phase d’enthalpie supérieure à une phase d’enthalpie inférieure (un processus exothermique). Par conséquent, la congélation, la condensation et le dépôt sont tous des transitions de phase exothermiques. Le changement d’enthalpie pour chacun des processus de transition de phase de la figure 4 est illustré dans le tableau 1 ci-dessus.,
Le changement d’enthalpie des transitions de phase peut également être utilisé pour expliquer les différences de points de fusion et de points d’ébullition des substances. À une pression donnée, une substance a une plage caractéristique de températures auxquelles elle subit des transitions de phase; par exemple, le point de fusion est la température à laquelle une substance passe de la phase solide à la phase liquide et le point d’ébullition est la température à laquelle une substance passe de la phase liquide à la phase gazeuse., En général, plus le changement d’enthalpie pour une transition de phase est important, plus la température à laquelle la substance subit la transition de phase est élevée. Par exemple, les liquides avec de fortes attractions intermoléculaires nécessitent plus de chaleur pour se vaporiser que les liquides avec des attractions intermoléculaires faibles; par conséquent, le point d’ébullition (point de vaporisation) pour ces liquides sera plus élevé que pour les liquides avec des attractions intermoléculaires plus faibles.
Réfrigération
Maintenant, nous allons utiliser notre compréhension des moteurs thermiques et des transitions de phase pour expliquer le fonctionnement des réfrigérateurs., Les changements d’enthalpie associés aux transitions de phase peuvent être utilisés par un moteur thermique (Figure 1) pour effectuer des travaux et pour transférer de la chaleur entre la substance subissant une transition de phase et son environnement environnant. Dans un moteur thermique, une « substance de travail » absorbe la chaleur à haute température et convertit une partie de cette chaleur en travail. Dans un processus secondaire, le reste de la chaleur est libéré dans l’environnement à une température plus basse, car le moteur thermique n’est pas efficace à 100%.
Comme le montre la figure 2, un réfrigérateur peut être considéré comme un moteur thermique à l’envers., L’effet de refroidissement dans un réfrigérateur est obtenu par un cycle de condensation et de vaporisation du liquide de refroidissement, qui est généralement le composé non toxique CCl2F2 (Fréon-12). Un réfrigérateur contient un compresseur électrique qui fonctionne au gaz fréon. Les bobines à l’extérieur du réfrigérateur permettent au fréon de libérer de la chaleur lorsqu’il se condense, et les bobines à l’intérieur du réfrigérateur permettent au fréon d’absorber la chaleur lorsqu’il se vaporise. La figure 5 montre les transitions de phase du Fréon et leurs événements d’échange de chaleur associés qui se produisent pendant le cycle de réfrigération.,
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Cliquez sur le bouton rose pour voir un film QuickTime montrant une animation sur le cycle de réfrigération. |
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Le cycle décrit ci-dessus ne fonctionne pas en continu, mais est contrôlé par un thermostat., Lorsque la température à l’intérieur du réfrigérateur dépasse la température réglée, le thermostat démarre le compresseur. Une fois que le réfrigérateur a été refroidi en dessous de la température réglée, le compresseur est éteint. Ce mécanisme de commande permet au réfrigérateur d’économiser l’électricité en ne fonctionnant que le maximum nécessaire pour maintenir le réfrigérateur à la température souhaitée.
Résumé
Les réfrigérateurs sont essentiellement des moteurs thermiques fonctionnant en sens inverse. Alors qu’un moteur thermique convertit la chaleur en travail, les moteurs thermiques inversés convertissent le travail en chaleur., Dans le réfrigérateur, la chaleur générée est transférée à l’extérieur du réfrigérateur. Pour refroidir le réfrigérateur, une » substance de travail « ou un » liquide de refroidissement », tel que le fréon, est nécessaire. Le réfrigérateur fonctionne en utilisant un cycle de compression et d’expansion sur le Fréon. Le travail est effectué sur le fréon par un compresseur, et le Fréon libère de la chaleur dans l’air extérieur du réfrigérateur (car il subit la condensation exothermique d’un gaz à un liquide)., Pour régénérer le Fréon gazeux pour la compression, le fréon passe à travers une bobine interne, où il subit la vaporisation endothermique de la phase liquide à la phase gazeuse. Ce processus endothermique amène le fréon à absorber la chaleur de l’air à l’intérieur du réfrigérateur, refroidissant le réfrigérateur.
Liens supplémentaires:
- Pour plus d’explications sur le fonctionnement des réfrigérateurs, consultez ce site de « How Stuff Works », de Marshall Brian.
Marron, Lemay, et Bursten. Chimie: La science centrale, 7e éd., p. 395-98.
Petrucci et Harwood., Chimie générale, 7e éd., p. 435, 699-701, 714-15.
Remerciements:
Les auteurs remercient Dewey Holten, Michelle Gilbertson, Jody Proctor et Carolyn Herman pour les nombreuses suggestions utiles dans la rédaction de ce tutoriel.
Le développement de ce tutoriel a été soutenu par une subvention du Howard Hughes Medical Institute, dans le cadre du programme d’enseignement des Sciences biologiques de premier cycle, Grant HHMI# 71199-502008 à l’Université de Washington.