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Caractéristiques et représentation d'un changement d'état
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Introduction
Nous constatons que la matière qui nous entoure change de forme physique sous certaines conditions. Cela arrive parfois naturellement, ou lors d’expériences assez courantes dans notre environnement domestique.
Comment se passent ces transformations, quelles en sont les conditions ? La matière est-elle toujours la même après ? Ce cours cherche à répondre à ces questions.
Les différents changements d’état de la matière
Des considérations simples à partir du cas de l’eau
L’exemple le plus connu de changements d’état d’un corps courant concerne l’eau.
Les changements d’état de l’eau sont faciles à réaliser à la maison. Plaques de cuisson et congélateurs sont couramment utilisés et permettent d’observer plusieurs caractéristiques de ces changements d’état.
Ces changements sont réversibles.
L’eau dans une bouteille mise au congélateur va geler, prendre un peu de volume, puis dégeler une fois sortie à température ambiante, et reprendre son volume initial. L’eau qui bout dégage de la vapeur qui se condense sur le couvercle de la casserole et retombe en gouttes.
Il n’y a pas de perte de matière.
Facile à constater pour le gel-dégel, il faut un appareillage dans le cas de la vapeur d’eau, qui aura tendance à s’échapper d’une casserole.
Ces changements sont lents et non immédiats.
L’eau mettra beaucoup de temps à s’évaporer, et les glaçons prendront du temps à fondre.
Pendant le changement, la température est stable.
L’eau va bouillir à , et sa température n’évoluera pas au-delà. Un glaçon continuera à refroidir le contenu d’un verre, demeurant aux environs de tant qu’il n’aura pas totalement fondu.
En dehors des changements d’état, l’eau se comporte comme trois corps qui seraient différents. Dans le congélateur, la température du glaçon évolue et peut atteindre les de l’appareil . Dans l’autocuiseur, la température de la vapeur peut dépasser les , plus encore dans des appareils spécifiques.
Généralisation à tous les corps
Les changements d’états sont physiques et non chimiques : les entités élémentaires, atomes ou molécules, restent identiques, mais c’est la cohésion entre elles qui évolue. Et la température y joue un rôle primordial.
Lors de ces changements, la matière prend donc des caractéristiques physiques différentes et constantes de part et d’autre des changements d’état en conservant ses caractéristiques chimiques indemnes.
Température de changement d’état :
Un changement d’état se fait à une température précise, appelée température de changement d’état.
La température de changement d’état est propre à chaque espèce.
Elle peut aussi dépendre des conditions, de pression notamment. Ainsi, au sommet du mont Blanc, par exemple, l’eau bout à une température inférieure à .
Lors d’un changement d’état, la masse et la quantité de matière se conservent. Mais le volume peut changer, et donc aussi la masse volumique.
L’eau liquide prend moins de volume que l’eau solide : les glaçons flottent dans l’eau.
Noms des changements d’état
Quelle que soit l’espèce considérée, le passage d’un état à un autre porte toujours le même nom :
Les états de la matière
Les températures de vaporisation, et plus particulièrement d’ébullition, sont utilisées pour séparer les espèces chimiques.
C’est le cas de l’alambic pour fabriquer de l’eau-de-vie. Lorsque le jus d’un fruit fermente, le sucre du fruit se transforme en alcool dont la température d’ébullition est de .
En chauffant le mélange légèrement au-dessus de cette température, l’alcool seul va se vaporiser. En passant dans un coude rafraîchi, les vapeurs d’alcool se liquéfient et coulent dans un autre récipient.
De nombreux métaux, solides à nos températures, peuvent entrer en fusion à hautes températures. À l’état liquide, ils pourront alors, dans un moule, prendre une forme qu’ils conserveront à l’état solide après refroidissement.
Les cas de déposition et sublimation sont plus rares naturellement, mais utilisés industriellement.
La « neige carbonique » est du gaz carbonique maintenu solide à des températures basses qui se transforme directement en gazeux.
La déposition permet de réaliser industriellement des dépôts fins et homogènes sur des surfaces diverses.
Certains solides, le sel ou le sucre par exemple, se dissolvent dans un solvant comme l’eau. Il ne s’agit pas d’une fusion mais d’une dissolution.
Ces derniers gardent leur état solide, mais, grâce à une certaine affinité chimique avec l’eau, ils se dispersent dans la solution et ne forment plus de tas visibles à l’œil nu. En revanche, si on filtre ces solutions, on retrouve le sel ou le sucre à leur état solide.
Toutes ces transformations étant réversibles, il est nécessaire de préciser l’état dans lequel se trouve la matière à laquelle on s’intéresse.
Notations
Selon l’état dans lequel est le corps considéré, on le notera de la façon suivante :
Changement d’état et transferts thermiques
Les changements d’état correspondent à des évolutions de température autour de points particuliers (fusion, ébullition). La température y reste constante tant que toute la matière en présence d’un seul tenant n’a pas changé d’état.
Lien entre température et état de la matière
Plus un corps est chaud, plus ses atomes ou molécules sont agités.
À l’intérieur des phases solides, liquides ou gazeuses, toute l’énergie gagnée ou perdue produit une évolution proportionnelle de l’agitation microscopique interne, dont le niveau est mesuré par la température qui augmente ou diminue.
Si l’on continue de chauffer l’eau alors que l’on a atteint la température d’ébullition, elle ne dépassera pas jusqu’à ce que toute l’eau liquide se soit transformée en gaz : toute l’énergie apportée sert à vaporiser l’eau.
De la même façon, tant qu’un glaçon fond dans une boisson, l’énergie absorbée par le glaçon sert à refroidir la boisson : la chaleur se transmet au glaçon, mais celui-ci demeure à .
Changements d’état et énergie
On constate dans le graphique précédent, que l’énergie fournie sous forme de chaleur externe a deux effets très différents :
Les transformations physiques endothermiques et exothermiques
Les considérations précédentes montrent deux familles de changements d’état : celles qui nécessitent de l’énergie et celles qui en fournissent.
Transformation endothermique :
Une transformation est dite endothermique lorsqu’il faut apporter de l’énergie pour la réaliser.
Les changements d’état endothermiques sont ceux où il faut chauffer le corps :
On pense souvent aux transformations actives : faire fondre un corps, évaporer un liquide en apportant de la chaleur, mais on peut aussi profiter des transformations passives.
Par exemple, l’utilisation d’un brumisateur est une façon de se rafraîchir. L’eau déposée sur notre peau, pour s’évaporer, va absorber la chaleur de notre corps. Celui-ci exploite naturellement la transpiration pour obtenir le même effet.
Transformation exothermique :
Une transformation est dite exothermique lorsqu’elle produit de l’énergie.
Les changements d’état exothermiques sont ceux qui fournissent de la chaleur en se réalisant :
Dans le cas des transformations physiques exothermiques, on peut parler de chaleur rendue.
Il a fallu apporter de la chaleur pour faire changer d’état un corps. Ce corps rendra cette chaleur en gardant sa température de changement d’état tant qu’il n’aura pas complètement repris son état d’origine.
Il ne faut donc pas confondre cette énergie rendue avec l’énergie électrique fournie au congélateur pour fabriquer un environnement très froid. Cette énergie sert au contraire à extraire vers l’extérieur du congélateur l’énergie fournie sous forme de chaleur par l’eau qui change d’état.
Énergie de changement d’état
Énergie massique de changement d’état
L’énergie gagnée ou perdue lors d’un changement d’état est proportionnelle à la masse du corps.
Si un glaçon est plus gros, il mettra plus de temps à fondre.
Vaporiser d’eau demandera un temps de chauffage deux fois plus long que pour d’eau.
Par ailleurs, l’énergie nécessaire à un changement d’état dépend aussi du corps et de ses constantes caractéristiques.
Il faut moins d’énergie pour faire fondre du beurre que de la glace.
Énergie massique de changement d’état :
L’énergie massique de changement d’état est l’énergie nécessaire pour réaliser le changement d’état d’une unité de masse de matière. Elle s’exprime en joule par kilogramme ().
L’énergie massique de changement d’état est souvent notée (comme latente), mais il faut préciser le changement d’état, car ce sont des constantes distinctes et différentes :
Fusion et solidification
Pour un corps donné de masse , les énergies massiques de fusion et de solidification sont opposées, de même valeur absolue. La grandeur est caractéristique de la transition solide/liquide et sera utilisée pour calculer soit un apport, soit un rendu d’énergie.
est l’énergie thermique apportée au corps solide de masse pour le rendre complètement liquide.
est l’énergie thermique rendue par le corps liquide de masse lorsqu’il s’est complètement solidifié.
Pour l’eau, , ainsi :
Vaporisation et liquéfaction
Pour un corps donné, à pression égale, l’énergie massique de vaporisation et de liquéfaction sont opposées, de même valeur absolue. La grandeur est caractéristique de la transition liquide/gaz et sera utilisée pour calculer soit un apport, soit un rendu d’énergie.
est l’énergie thermique apportée au corps liquide de masse pour le rendre complètement gazeux.
est l’énergie thermique rendue par le corps gazeux de masse lorsqu’il s’est complètement solidifié.
Pour l’eau, à pression atmosphérique normale, .
Schématisons pour conclure les liens des changements d’états avec l’énergie.
Énergies massiques de changement d’état
Conclusion :
Pour une température croissante, un corps prendra successivement l’état solide, liquide puis gazeux. Ces états correspondent à des plages de températures et de pression propres à chaque espèce.
Pour chaque corps, la transition entre deux états s’effectue à une température précise de changement d’état, et implique un transfert d’énergie thermique spécifique proportionnel à la masse du corps.
Ces transitions sont endothermiques lorsqu’il faut apporter de l’énergie, les transitions inverses étant alors exothermiques.