Les transformations physiques

I. Les changements d'état d'un corps pur

1. Définition

• Un changement d'état est une transformation physique au cours de laquelle une espèce passe d'un état physique (solide, liquide ou gazeux) à un autre.

2. Rappels - Modélisation MACROSCOPIQUE d'un changement d'état

• Remarque importante : les changements d'état ont été largement abordés en classe de 5^e, il est donc fortement recommandé de relire attentivement cette fiche :

  Changement d'états de l'eau

• Définitions :

  Chaque changement d'état porte un nom qui lui est propre :

  $\circ\quad$ Le passage de l'état solide à l'état liquide est appelé la FUSION ;

  $\circ\quad$ Le passage de l'état liquide à l'état solide est à contrario appelé la SOLIDIFICATION ;

  $\circ\quad$ Le passage de l'état liquide à l'état gazeux est appelé l’ÉVAPORATION ;

  $\circ\quad$ Le passage de l'état gazeux à l'état liquide est à contrario appelé la LIQUÉFACTION (souvent désignée abusivement par "condensation" dans le langage courant) ;

  $\circ\quad$ Le passage de l'état gazeux à l'état solide est appelé la CONDENSATION ;

  $\circ\quad$ Le passage de l'état solide à l'état gazeux est à contrario appelé la SUBLIMATION.

• Quelques exemples (notamment issus de la fiche de 5^e) :

  $\circ\quad$ Un glaçon qui fond dans un verre est une transformation physique : il passe de l'état solide à l'état liquide, c'est ce qu'on appelle une fusion ;

  $\circ\quad$ Un pot fermé, rempli de vapeur d'eau, plongé dans un bain de glace voit de l'eau liquide se former, qui se dépose au fond de ce pot : c'est une liquéfaction ;

  $\circ\quad$ Lorsque le volume d'eau de cuisson diminue dans une casserole : il s'agit d'une vaporisation ;

  $\circ\quad$ Le givre qui se forme sur une voiture l'hiver correspond à une solidification ;

  $\circ\quad$ Etc.

• ATTENTION :

  $\circ\quad$ Il ne faut pas confondre la fusion (= passage de l'état solide à l'état liquide) et la dissolution (= action de dissoudre un soluté) !

  $\circ\quad$ Par exemple, il ne faut pas dire ou écrire que "le sucre fond dans le café/thé" mais bien que "le sucre se dissout dans le café". En effet, ce dernier ne subit pas de changement d'état, il ne fait que se disperser dans la boisson.

• Propriétés :

  $\circ\quad$ Le nombre et la nature des espèces chimiques intervenant dans un changement d'état ne varient pas : la masse reste en effet constante.

  $\circ\quad$ Lors d'un changement d'état d'un corps pur, la température reste constante : il y a des paliers de température qui sont caractéristiques de la substance.

  $\circ\quad$ À ces températures particulières, les deux états coexistent simultanément.

• Exemple : on considère un glaçon d'eau pure et qu'on augmente progressivement sa température au cours du temps, à pression constante, on obtiendra le graphique suivant :

3. Modélisation MICROSCOPIQUE d'un changement d'état

• Un solide pur n'est constitué que d'un seul type d'atomes (ou molécules) ; il est modélisé par un ensemble d'atomes (ou molécules) qui sont "serrés" les uns contre les autres et soudés ensemble. On dit que l'état solide est compact et ordonné.

• Un liquide pur n'est constitué que d'un seul type d'atomes (ou molécules) ; il est modélisé par un ensemble d'atomes qui sont "tassés" mais ils peuvent "glisser" les uns sur les autres. On dit que l'état liquide est compact et désordonné.

• Un gaz pur n'est constitué que d'un seul type d'atomes (ou molécules) ; il est modélisé par un ensemble d'atomes peu nombreux, libres, en mouvement rapide et désordonné. On dit que l'état gazeux est dispersé et très désordonné.

• Propriété :

  Dans un changement d'état :

  $\circ\quad$ Une augmentation de la température entraîne un accroissement de l'agitation des atomes (ou des molécules) de l'espèce chimique considérée ;

  $\circ\quad$ Réciproquement, une diminution de la température entraîne une décroissance de l'agitation des atomes (ou molécules) de l'espèce chimique considérée.

4. Synthèse - Modélisation MACROSCOPIQUE d'un changement d'état

5. Écriture symbolique d'un changement d'état

• À retenir :

  L'écriture d'un changement d'état d'une espèce chimique se note avec la formule chimique de cette espèce, accompagnée de l'état physique en indice et entre parenthèses.

• Notation : on utilisera un "$s$" pour désigner l'état solide, un "$l$" pour désigner l'état liquide et un "$g$" pour désigner l'état gazeux.

• Exemple : l'eau passant de l'état solide, à l'état liquide puis enfin à l'état gazeux, aura pour équation de changement d'état :

  $\boxed{H_2O_{(s)} \rightarrow H_2O_{(l)} \rightarrow H_2O_{(g)}}$

II. Aspects énergétiques d'une transformation physique

1. Notion de transfert thermique

• Définition :

  $\circ\quad$ Le transfert thermique ($\text{Q ou E ou L}$) est une énergie échangée sous forme de chaleur par l'espèce chimique qui subit le changement d'état avec le système considéré ;

  $\circ\quad$ Son unité est le joule ($J$).

• Le système est l'ensemble d'espèces chimiques étudié lors de la transformation physique.

• Tout ce qui n'appartient pas au système est le milieu extérieur.

• L'ensemble du système et du milieu extérieur constitue ce qu'on appelle "l'Univers".

• Par convention :

  $\circ\quad$ Si l'espèce reçoit de la chaleur alors le transfert thermique sera positif :

  $\boxed{\text{Q ou E ou L} > 0}$

  $\circ\quad$ A l'inverse, si l'espèce cède de la chaleur alors le transfert thermique sera négatif :

  $\boxed{\text{Q ou E ou L} < 0}$

2. Transformations endothermiques et exothermiques

• Définitions :

  $\circ\quad$ Un changement d'état endothermique est une transformation au cours de laquelle le système absorbe de l'énergie ($\text{Q ou E ou L} > 0$). Généralement, cela se traduit par une diminution de sa température.

  $\circ\quad$ Un changement d'état exothermique est une transformation au cours de laquelle le système libère de l'énergie ($\text{Q ou E ou L} < 0$). Généralement, cela se traduit par une augmentation de sa température.

• Ainsi, expérimentalement, on peut observer que :

  $\circ\quad$ Lors d'une fusion, d'une vaporisation ou d'une sublimation, la transformation du système est endothermique ;

  $\circ\quad$ Lors d'une solidification, d'une liquéfaction ou d'une condensation, la transformation du système est exothermique.

3. Énergie de changement d'état

• Définition :

  $\circ\quad$ Lors d'un changement d'état, l'énergie liée à cette transformation est appelée énergie massique de changement d'état ou chaleur latente, notée $Q_m ~ \text{ou} ~ E_m ~ \text{ou} ~ L_m$.

  $\circ\quad$ Elle est caractéristique de l'espèce considérée.

  $\circ\quad$ Elle correspond à la quantité d'énergie que le système doit absorber ou céder pour qu'une masse $m$ de l'espèce chimique considérée change d'état :

  $\boxed{Q_m ~ \text{ou} ~ E_m ~ \text{ou} ~ L_m = \dfrac{E ~ \text{ou} ~ Q ~ \text{ou} ~ L}{m}}$

  $\circ\quad$ Son unité est le joule par kilogramme ($J/kg$ ou $J .kg^{-1}$).

• Expérimentalement, on peut observer que :

  $\circ\quad$ Les chaleurs latentes de fusion, de vaporisation et de sublimation sont positives ;

  $\circ\quad$ Les chaleurs latentes de solidification, de liquéfaction et de condensation sont négatives ;

  $\circ\quad$ Ainsi, pour une même espèce, les chaleurs latentes de changements d'état opposés (par exemple vaporisation vs liquéfaction) sont égales en valeur absolue, mais de signes contraires.

4. Application : la calorimétrie

• En pratique, la détermination de l'énergie latente peut s'effectuer dans un calorimètre.

• En effet, ce dernier a la propriété de n'échanger presque aucune énergie avec l'extérieur.

• Ainsi, idéalement, on peut considérer que la somme de tous les échanges de chaleur à l'intérieur d'un calorimètre est nulle.

_{= Merci à gbm pour avoir contribué à l'élaboration de cette fiche =}