Changements d'état de la matière - Physique-Chimie Seconde

Fusion : passage de l'état solide à l'état liquide (ex: glace → eau)

Solidification : passage de l'état liquide à l'état solide (ex: eau → glace)

Vaporisation : passage de l'état liquide à l'état gazeux (ex: eau → vapeur)

Condensation : passage de l'état gazeux à l'état liquide (ex: vapeur → eau)

Sublimation : passage direct de l'état solide à l'état gazeux (ex: glace carbonique)

Condensation inverse (ou dépôt) : passage direct de l'état gazeux à l'état solide

La température de fusion est la température à laquelle un corps pur passe de l'état solide à l'état liquide. Pour l'eau pure à pression atmosphérique normale :

La température d'ébullition est la température à laquelle un corps pur passe de l'état liquide à l'état gazeux. Pour l'eau pure à pression atmosphérique normale :

Lorsqu'on chauffe de la glace à -20°C jusqu'à obtenir de la vapeur à 120°C, on observe une courbe particulière :

• Montée régulière de la température dans chaque état
• Paliers horizontaux lors des changements d'état
• Température constante pendant les changements d'état

• 1 La température reste constante
• 2 L'énergie fournie sert à rompre les liaisons intermoléculaires
• 3 L'énergie ne sert pas à augmenter la température

Lors des changements d'état, il y a échange d'énergie thermique :

• États de fusion, vaporisation et sublimation : absorption d'énergie (endothermique)
• États de solidification, condensation et dépôt : libération d'énergie (exothermique)

Quantité d'énergie nécessaire pour transformer 1 kg de substance sans changement de température :

• Énergie latente de fusion de l'eau : 334 kJ/kg
• Énergie latente de vaporisation de l'eau : 2260 kJ/kg

Où Q est la quantité de chaleur, m la masse, et L l'énergie latente

• Faire fondre du beurre : fusion
• Bouillir de l'eau : vaporisation
• Former de la buée sur un miroir : condensation
• Geler de l'eau dans un congélateur : solidification

• Formation des nuages : condensation
• Pluie : condensation + précipitation
• Neige : solidification de la vapeur (sublimation inverse)
• Évaporation de l'eau des surfaces

• Température de changement d'état constante
• Palier horizontal net sur la courbe d'échauffement
• Composition chimique uniforme partout
• Exemples : eau pure, sel pur, sucre pur

• Températures de changement d'état variables
• Paliers inclinés sur la courbe d'échauffement
• Composition chimique non uniforme
• Exemples : eau salée, air, sang

Q₁ = m × c_glace × ΔT = 0.5 × 2100 × (0 - (-10)) = 0.5 × 2100 × 10 = 10,500 J

Q₂ = m × L_fusion = 0.5 × 334,000 = 167,000 J

Q₃ = m × c_eau × ΔT = 0.5 × 4180 × (100 - 0) = 0.5 × 4180 × 100 = 209,000 J

Q₄ = m × L_vaporisation = 0.5 × 2,260,000 = 1,130,000 J

Q₅ = m × c_vapeur × ΔT = 0.5 × 2000 × (120 - 100) = 0.5 × 2000 × 20 = 20,000 J

La température d'ébullition dépend de la pression extérieure :

• Avec la pression, la température d'ébullition augmente
• Avec la baisse de pression, la température d'ébullition diminue
• En altitude, l'eau bout à une température inférieure à 100°C

• Cocotte-minute : augmentation de pression → augmentation température d'ébullition → cuisson plus rapide
• Distillation : exploitation des différences de températures d'ébullition
• Lyophilisation : diminution de pression pour sublimer l'eau

Le diagramme de phases représente les conditions de température et de pression pour chaque état de la matière :

• Axe des abscisses : température
• Axe des ordonnées : pression
• Zones : domaines de stabilité de chaque phase
• Lignes : conditions d'équilibre entre deux phases

• Point triple : coexistence des 3 états (pour l'eau : 0.01°C et 611.73 Pa)
• Point critique : au-delà duquel distinction liquide/gaz impossible

• Distillation fractionnée : séparation des constituants d'un mélange
• Fractionnement cryogénique : séparation de l'air en ses composants
• Cristallisation : purification de substances

• Production de vapeur pour actionner les turbines
• Condensation de la vapeur pour recyclage de l'eau
• Refroidissement des circuits

L'eau chaude va céder de la chaleur à la glace froide. Plusieurs scénarios possibles :

• La glace fond complètement et le mélange atteint une température intermédiaire
• La glace fond partiellement
• La glace fond complètement mais l'eau refroidit

Énergie libérée par l'eau chaude refroidissant de 80°C à 0°C :

Q_libéré = m_eau × c_eau × ΔT = 0.3 × 4180 × (80 - 0) = 100,320 J

Q_nécessaire = m_glace × c_glace × ΔT = 0.2 × 2100 × (0 - (-5)) = 2,100 J

Q_fusion = m_glace × L_fusion = 0.2 × 334,000 = 66,800 J

• Transformation physique de la matière d'un état à un autre
• Ne modifie pas la nature chimique de la substance
• Réversible dans la plupart des cas

• Fusion/Solidification : solide ↔ liquide
• Vaporisation/Condensation : liquide ↔ gaz
• Sublimation/Dépôt : solide ↔ gaz

• Corps purs : températures fixes de changement d'état
• Mélanges : températures variables
• Pression influence les températures de changement d'état