Le changement d’état

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Classe(s) : Tle STI2D - Tle STL | Thème(s) : Changement d'état

Le changement d’état

La matière se présente sous trois états (solide, liquide ou gazeux) qui ne sont pas figés dans le temps. La matière passe d’un état à un autre en fonction de la température ou de la pression de l’environnement. Ces changements d’état s’accompagnent de transferts d’énergie que l’on peut interpréter grâce à une description microscopique de la matière.

1Les états physiques de la matière


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2Les changements d’état


Le changement d’état d’un corps est une transformation physique au cours de laquelle le corps passe d’un état physique à un autre.

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A La température de changement d’état d’un corps pur


Un corps pur est un corps constitué d’une seule espèce chimique, contrairement à un mélange.

Remarque

Pour des changements d’état opposés, comme la solidification et la fusion, la température de changement d’état est la même.

Sous une pression donnée, le changement d’état d’un corps pur se fait à une température constante, caractéristique de ce corps pur. Cette température est appelée température de changement d’état.

EXEMPLE

Pour l’eau, sous une pression de 1,0 bar, θfus = 0,0 °C et θvap = 100 °C

B Les diagrammes d’état


Connaissant sa température et sa pression, on peut prévoir l’état physique d’un corps pur en utilisant son diagramme d’état. Le diagramme d’état d’un corps pur est une représentation graphique en deux dimensions (pression en fonction de la température). Les trois lignes représentent les frontières entre l’état solide, l’état liquide et l’état gazeux.

EXEMPLE

On considère un corps pur dont on propose le diagramme d’état ci-dessous. Il est initialement à la pression PA et à la température θA. D’après le diagramme, ce corps pur est à l’état liquide. On le chauffe à pression constante. Sa température augmente jusqu’au point B situé à la frontière entre l’état liquide et l’état gazeux. Au point B, le corps se vaporise à la température θB, qui est la température de vaporisation de ce corps pur à la pression PA. Dès lors, si l’on poursuit le chauffage, le corps pur est entièrement à l’état gazeux et sa température augmente.

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Exercice résolu

Énoncé

1. Indiquer sur le diagramme d’état de l’eau ci-dessous, les domaines de la glace, de l’eau liquide et de la vapeur d’eau.

2. Quel est l’état physique d’une eau à 300 °C sous une pression de 1,0 hPa ? Marquer la position de ce point P.

3. Quelle serait la température de vaporisation d’une eau sous une pression de 1,0 × 103 Pa ?

4. Indiquer par des flèches le sens de la condensation et de la liquéfaction, sur le ­diagramme.

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Corrigé

1. De gauche à droite : glace, eau liquide, vapeur d’eau.

2. 1,0 hPa = 100 Pa = 1,0 × 102 Pa. Point P sur le diagramme. L’eau est sous forme de vapeur.

3. La vaporisation est le passage de l’état liquide à l’état gazeux. Elle a lieu sur la frontière entre ces deux états. θvap est l’abscisse du point de cette ligne dont l’ordonnée est P = 1,0 × 103 Pa. On mesure θvap = 40 °C.

4. Sur le diagramme ci-dessous.

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C Le changement d’état au niveau microscopique


La température d’un corps est intimement liée à l’agitation thermique des atomes ou des molécules qui le composent. Lorsqu’un corps pur reçoit de la chaleur, son énergie thermique augmente de sorte que l’agitation des entités qui le compose augmente, donc sa température aussi.

Dès que l’énergie apportée est suffisante pour rompre les interactions entre les atomes ou les molécules, la température cesse d’augmenter (la température atteinte est la température de changement d’état) : c’est le début du changement d’état physique. Toute la chaleur reçue ne sert plus alors qu’à rompre les interactions qui permettaient la cohésion du solide ou du liquide. Dans le cas de la fusion (solide liquide), les entités se mettent en mouvement les unes par rapport aux autres. Dans le cas de la vaporisation (liquide gaz), les interactions qui permettaient aux atomes ou molécules de rester en contact se rompent, les particules qui constituent le corps pur s’éloignent les unes des autres.

Ce n’est qu’à partir du moment où la totalité du corps pur a changé d’état que sa température augmente à nouveau s’il reçoit toujours de la chaleur.

D L’enthalpie massique de changement d’état


Pendant un changement d’état à pression constante, l’énergie thermique échangée Q avec le milieu extérieur, par une masse m d’un corps pur est égale au produit de la masse m de corps pur par l’enthalpie massique de changement d’état L du corps pur :

Q = m.L où : m : masse en kilogramme (kg)

 L : enthalpie massique de changement d’état en joule par kilogramme (J.kg1). L est également appelée chaleur latente.

 Q : énergie thermique échangée en joule (J)

Remarques

On utilise aussi l’enthalpie molaire de changement d’état (J.mol1), que l’on peut noter Ln.

L’enthalpie massique de changement d’état est une grandeur algébrique :

– positive si le changement d’état nécessite un apport d’énergie (c’est le cas de la fusion Lfus > 0, de la vaporisation Lvap > 0 et de la sublimation Lsub > 0) ;

– négative si le changement d’état fournit de l’énergie (c’est le cas de la solidification Lsol < 0, de la liquéfaction Lliq < 0 et de la condensation Lcond < 0).

Pour une espèce chimique donnée (même pression), Lfus = Lsol, Lvap = Lliq et Lsub = Lcond.

Exercice résolu

Énoncé

Calculer l’énergie nécessaire pour vaporiser entièrement 100 mL d’eau initialement à 50 °C à la pression atmosphérique.

Données : À pression atmosphérique, θvap = 100 °C, Lvap = 2 256 kJ.kg1.

 Capacité thermique massique de l’eau : Ce = 4,2 × 103 J.kg1.°C1.

 Densité de l’eau d = 1,00.

Méthode

On commence par calculer la masse du volume d’eau à chauffer. Puis on calcule séparément la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de l’eau liquide de 50 °C à 100 °C et la quantité de chaleur nécessaire pour transformer les 100 mL d’eau liquide en vapeur d’eau.

Corrigé

La densité de l’eau liquide vaut d = 1,00. Donc sa masse volumique vaut ρ = 1,00 g.cm3 = 1,00 g.mL1.

On en déduit que la masse m d’un volume V = 100 mL d’eau vaut m = ρ.V = 100 g = 0,100 kg.

Calculons la quantité de chaleur Q1 nécessaire pour élever la température de l’eau liquide de θi = 50 °C à θf = 100 °C.

Q1 = m.Ce.(θf θi) = 0,100 × 4,2 × 103 × (100 50) = 21 × 103 J = 21 kJ

Calculons la quantité de chaleur Q2 nécessaire pour vaporiser entièrement m à θvap = 100 °C.

Q2 = m.Lvap = 0,100 × 2 256 = 226 kJ

Finalement, l’énergie totale vaut Q = Q1 + Q2 = 247 kJ.

E Le cas particulier de la vaporisation


La vaporisation est le passage de l’état liquide à l’état gazeux. On distingue deux formes de vaporisation, bien connues dans le cas de l’eau :

l’ébullition : c’est un phénomène rapide et violent qui a lieu lorsque la température atteint la température de vaporisation. Pendant l’ébullition, des bulles de gaz apparaissent brutalement au cœur du liquide et remontent à la surface. Ce phénomène nécessite un apport d’énergie extérieure ;

l’évaporation : c’est un phénomène très lent. Certaines molécules présentes à la surface de l’eau passent de l’état liquide à l’état gazeux. Ce changement d’état s’accompagne nécessairement d’un transfert d’énergie. Localement, les molécules d’eau absorbent l’énergie de leur environnement afin de passer à l’état gazeux. L’environnement perd donc de l’énergie : il se refroidit. Ce phénomène est à l’origine du processus de la transpiration. En effet, lorsque la température du corps humain est trop élevée, il transpire. L’évaporation de l’eau à la surface de la peau entraîne une diminution de l’énergie thermique du corps : sa température diminue.