Cours : Caractéristiques et représentation d'un changement d'état

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.

• Lorsqu’il fait très froid pendant un temps suffisant, l’eau des lacs puis des rivières gèle. Elle devient solide, permettant de marcher dessus.
• Lorsque la température remonte, la glace fond progressivement, redevenant liquide.
• Les nuages apportent parfois la pluie. Dans le brouillard, nos vêtements sont mouillés par l’eau sous forme gazeuse.
• L’eau prend trois formes bien identifiables : liquide, solide et gazeuse.

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.

À retenir

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.

À retenir

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.

À retenir

Ces changements sont lents et non immédiats.

L’eau mettra beaucoup de temps à s’évaporer, et les glaçons prendront du temps à fondre.

À retenir

Pendant le changement, la température est stable.

L’eau va bouillir à $100\,\degree\text{C}$, et sa température n’évoluera pas au-delà. Un glaçon continuera à refroidir le contenu d’un verre, demeurant aux environs de $0\,\degree\text{C}$ 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 $-\,36\,\degree\text{C}$ de l’appareil . Dans l’autocuiseur, la température de la vapeur peut dépasser les $100\,\degree\text{C}$, 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.

À retenir

• À l’état solide, les entités élémentaires (atomes ou molécules) sont fortement liées et n’ont pas de liberté de position entre elles.
• 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.
• À l’état gazeux, les entités élémentaires ne sont plus liées et ont une totale liberté de position.

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.

À retenir

• À l’état solide, la matière est peu ou pas déformable et n’a pas besoin de contenant.
• À l’état liquide, la matière doit être contenue, car elle peut s’écouler à plat ou vers le bas.
• À l’état gazeux, la matière occupe tout l’espace disponible dans toutes les directions.

• Le changement d’état correspond au passage d’un état à un autre.
• Chaque état correspond pour chaque espèce à une plage déterminée de températures.

Définition

Température de changement d’état :

Un changement d’état se fait à une température précise, appelée température de changement d’état.

Attention

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 $100\,\degree\text{C}$.

À retenir

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.

Exemple

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 :

• le passage de l’état solide à l’état liquide est appelé fusion ;
• le passage, inverse, de l’état liquide à l’état solide est appelé solidification ;
• le passage de l’état liquide à l’état gazeux est appelé vaporisation ; celle-ci peut être rapide ou lente, on parle alors, respectivement, d’ébullition ou d’évaporation ;
• le passage, inverse, de l’état gazeux à l’état liquide est appelé liquéfaction ; on parle aussi de condensation liquide ;
• le passage instantané de l’état solide à l’état gazeux est appelé sublimation ;
• le passage, inverse, de l’état gazeux à l’état solide est appelé déposition ; on parle aussi de condensation solide.

Exemple

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 $78\,\degree\text{C}$.
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.

• Cette technique s’appelle la distillation.

Exemple

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.

• Le mercure est le seul métal liquide à température ambiante qui se solidifie en dessous de $-\,39\,\degree\text{C}$. C’est une des raisons pour lesquelles on l’a longtemps utilisé dans les thermomètres.

Exemple

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 $\text{CO}_2$ gazeux.
La déposition permet de réaliser industriellement des dépôts fins et homogènes sur des surfaces diverses.

Attention

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.

• Un moyen facile de différencier une dissolution d’une fusion est que la fusion se fait pour l’espèce seule, et surtout que la fusion s’accompagne toujours d’une variation de température ou de pression.

Toutes ces transformations étant réversibles, il est nécessaire de préciser l’état dans lequel se trouve la matière à laquelle on s’intéresse.

Notations

À retenir

Selon l’état dans lequel est le corps $\text{X}$ considéré, on le notera de la façon suivante :

• à l’état solide : $X_\text{(s)}$ ;
• à l’état liquide : $X_\text{(l)}$ ;
• à l’état gazeux : $X_\text{(g)}$.

Exemple

$\text{H}_2\text{O}_\text{(l)}\ \ \ \ \ \underrightarrow{\small\text{Chauffage à 100 }\degree\text{C}}\ \ \ \ \ \text{H}_2\text{O}_\text{(g)}$

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.

• Il y a une relation directe avec l’énergie thermique reçue ou fournie par le corps.

Lien entre température et état de la matière

Plus un corps est chaud, plus ses atomes ou molécules sont agités.

• Lorsqu’on chauffe un corps, on apporte de l’énergie (par de l’électricité ou du gaz par exemple) qui va provoquer une augmentation d’agitation microscopique.
• Lorsqu’on arrête de chauffer le corps, cette agitation va se propager à l’extérieur et quitter progressivement le corps. Le corps chaud va réchauffer son environnement en refroidissant. Ainsi, une tasse de thé chaud nous réchauffe les mains.

À retenir

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.

Exemple

Si l’on continue de chauffer l’eau alors que l’on a atteint la température d’ébullition, elle ne dépassera pas $100\,\degree\text{C}$ 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 $0\,\degree\text{C}$.

On constate dans le graphique précédent, que l’énergie fournie sous forme de chaleur externe a deux effets très différents :

• soit la température augmente – on parle alors de chaleur sensible ;
• soit le corps change d’état – on parle alors de chaleur latente.

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.

• Dans le cas d’une énergie fournie par le corps, elle est positive et, dans le cas d’une énergie cédée par le corps, elle est négative.

Définition

Transformation endothermique :

Une transformation est dite endothermique lorsqu’il faut apporter de l’énergie pour la réaliser.

À retenir

Les changements d’état endothermiques sont ceux où il faut chauffer le corps :

• la fusion ;
• la vaporisation ;
• la sublimation.

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.

Exemple

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.

Définition

Transformation exothermique :

Une transformation est dite exothermique lorsqu’elle produit de l’énergie.

À retenir

Les changements d’état exothermiques sont ceux qui fournissent de la chaleur en se réalisant :

• la solidification ;
• la liquéfaction ;
• la déposition ou condensation solide.

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.

Attention

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

À retenir

L’énergie gagnée ou perdue lors d’un changement d’état est proportionnelle à la masse du corps.

Exemple

Si un glaçon est plus gros, il mettra plus de temps à fondre.
Vaporiser $2\ \text{L}$ d’eau demandera un temps de chauffage deux fois plus long que pour $1\ \text{L}$ d’eau.

Par ailleurs, l’énergie nécessaire à un changement d’état dépend aussi du corps et de ses constantes caractéristiques.

Exemple

Il faut moins d’énergie pour faire fondre du beurre que de la glace.

Définition

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 ($\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}$).

L’énergie massique de changement d’état est souvent notée $L$ (comme latente), mais il faut préciser le changement d’état, car ce sont des constantes distinctes et différentes :

• $L_\text{f}$ pour la fusion ;
• $L_\text{s}=-L_\text{f}$ pour la solidification ;
• $L_\text{v}$ pour la vaporisation ;
• $L_\text{l}=-L_\text{v}$ pour la liquéfaction.

Fusion et solidification

Pour un corps donné de masse $m$, 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.

À retenir

• Fusion :

$$Q=L_\text{f}\times m$$

$Q$ est l’énergie thermique apportée au corps solide de masse $m$ pour le rendre complètement liquide.

• Solidification :

$$\begin{aligned} Q&= L_\text{s}\times m \\ &=-L_\text{f}\times m \end{aligned}$$

$Q$ est l’énergie thermique rendue par le corps liquide de masse $m$ lorsqu’il s’est complètement solidifié.

Exemple

Pour l’eau, $L_\text{f}=334\ \text{kJ}\cdot\text{kg}^{-1}$, ainsi :

• il faut $334\ \text{kJ}$ pour liquéfier un kilogramme de glace ;
• un litre d’eau à $0\,\degree\text{C}$ libérera $334\ \text{kJ}$ en formant un kilogramme de glace à $0\,\degree\text{C}$.

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.

À retenir

• Vaporisation :

$$Q=L_\text{v}\times m$$

$Q$ est l’énergie thermique apportée au corps liquide de masse $m$ pour le rendre complètement gazeux.

• Liquéfaction :

$$\begin{aligned} Q&= L_\text{l}\times m \\ &=-L_\text{v}\times m \end{aligned}$$

$Q$ est l’énergie thermique rendue par le corps gazeux de masse $m$ lorsqu’il s’est complètement solidifié.

• L’énergie massique de vaporisation dépend de la pression.
  Un gaz aura plus de facilité à se former à faible pression. Des gaz comme le butane ou le propane sont maintenus liquides à haute pression dans des bouteilles fermées.

Exemple

Pour l’eau, à pression atmosphérique normale, $L_\text{v}\approx2,26\times 10 ^3\ \text{kJ}\cdot \text{kg}^{-1}$.

• Nous remarquons qu’il faut, à pression atmosphérique normale, beaucoup plus d’énergie pour vaporiser un litre d’eau que pour transformer un kilogramme de glace en un litre d’eau.

Schématisons pour conclure les liens des changements d’états avec l’énergie.