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Caractéristiques et représentation d'un changement d'état

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Les différents changements d’état de la matière

  • Lorsqu’il y a changement d’état d’un corps, plusieurs caractéristiques sont observables :
  • changements réversibles ;
  • pas de perte de matière ;
  • changements lents et non immédiats ;
  • pendant le changement, la température est stable.
  • Les changements d’états sont physiques et non chimiques :
  • à l’état solide, les entités élémentaires (atomes ou molécules) sont fortement liées et n’ont pas de liberté de position entre elles. Quant à la matière, elle est peu ou pas déformable et n’a pas besoin de contenant ;
  • à l’état liquide, les entités élémentaires sont faiblement liées : elles se déplacent entre elles mais sans s’échapper, permettant la déformation et la fluidité. La matière doit être contenue, car elle peut s’écouler à plat ou vers le bas ;
  • à l’état gazeux, les entités élémentaires ne sont plus liées et ont une totale liberté de position. La matière occupe tout l’espace disponible dans toutes les directions.
  • Un changement d’état se fait à une température précise, appelée température de changement d’état.
  • 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.

Alt texte Les changements d’états

  • Selon l’état dans lequel le corps X\text{X} est considéré, on le notera de la façon suivante :
  • à l’état solide : X(s)X_\text{(s)} ;
  • à l’état liquide : X(l)X_\text{(l)} ;
  • à l’état gazeux : X(g)X_\text{(g)}.

Changement d’état et transferts thermiques

  • 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.
  • Ces relations proportionnelles sont interrompues lors des changements d’état.
  • L’énergie fournie sous forme de chaleur externe a deux effets très différents :
  • soit la température augmente : chaleur sensible ;
  • soit le corps change d’étatt : chaleur latente.
  • Une transformation est dite endothermique lorsqu’il faut apporter de l’énergie pour la réaliser (fusion, vaporisation et sublimation).
  • Une transformation est dite exothermique lorsqu’elle produit de l’énergie (solidification, liquéfaction et déposition).

Énergie de changement d’état

  • L’énergie gagnée ou perdue lors d’un changement d’état est proportionnelle à la masse du corps.
  • L’énergie massique de changement d’état, notée LL, est l’énergie nécessaire pour réaliser le changement d’état d’une unité de masse de matière. Elle s’exprime en Jkg1\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}.
  • Fusion :

Q=Lf×mQ=L_\text{f}\times m

  • QQ est l’énergie thermique apportée au corps solide de masse mm pour le rendre complètement liquide.
  • Solidification :

Q=Ls×m=Lf×m\begin{aligned} Q&= L\text{s}\times m \ &=-L\text{f}\times m \end{aligned}

  • QQ est l’énergie thermique rendue par le corps liquide de masse mm lorsqu’il s’est complètement solidifié.
  • Vaporisation :

Q=Lv×mQ=L_\text{v}\times m

  • QQ est l’énergie thermique apportée au corps liquide de masse mm pour le rendre complètement gazeux.
  • Liquéfaction :

Q=Ll×m=Lv×m\begin{aligned} Q&= L\text{l}\times m \ &=-L\text{v}\times m \end{aligned}

  • QQ est l’énergie thermique rendue par le corps gazeux de masse mm lorsqu’il s’est complètement solidifié.