Lorsqu'un corps gagne ou cède de la chaleur, un changement d'état peut avoir lieu. Les particules qui composent ce corps s'organisent alors différemment, ce qui provoque une variation de son volume mais pas de sa masse.
Rappels sur les différents changements d'état
Les changements d'état solide - liquide
Fusion
La fusion est le passage de l'état solide à l'état liquide.
Lorsqu'un glaçon fond, l'eau passe de l'état solide à l'état liquide.
Solidification
La solidification est le passage de l'état liquide à l'état solide.
L'eau liquide placée au congélateur devient de la glace, c'est-à-dire de l'eau solide. Il s'agit donc d'une solidification.
Les changements d'état solide - liquide
Les changements d'état liquide - gaz
Vaporisation
La vaporisation est le passage de l'état liquide à l'état gazeux.
À pression normale, l'eau pure se met à bouillir à partir de 100°C. Cette ébullition de l'eau entraîne sa vaporisation.
Liquéfaction
La liquéfaction est le passage de l'état gazeux à l'état liquide.
Lorsque de la vapeur d'eau rencontre une surface froide, elle se condense et forme des gouttelettes d'eau liquide dessus.
Les changements d'état liquide - gaz
Les changements d'état solide - gaz
Sublimation
La sublimation est le passage de l'état solide à l'état gazeux.
La neige carbonique (contenue dans certains extincteurs) est constituée de dioxyde de carbone à l'état solide. Sous la pression atmosphérique, elle se sublime rapidement dès lors que la température est supérieure à -78,5°C.
Condensation solide
La condensation solide est le passage de l'état gazeux à l'état solide.
Lorsque la vapeur d'eau présente rencontre un objet très froid, elle subit une condensation solide et forme du givre (cristaux de glace).
Lors d'une sublimation et d'une condensation solide, le corps passe de l'état solide à l'état gazeux, ou inversement, sans passer par l'état liquide.
Les changements d'état solide - gaz
La température et les changements d'état
L'agitation thermique et l'interprétation microscopique des changements d'état
Température
La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et couramment exprimée en degrés Celsius (°C). Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud.
Normalement, la température du corps humain est de 37°C.
Plus la température d'un corps est élevée, plus les particules qui le composent sont agitées : on parle d'agitation thermique. À pression constante, au fur et à mesure que la température augmente, les changements d'état se font donc dans le sens d'une augmentation du désordre des particules.
Lorsqu'on augmente, à pression constante, la température d'un solide dans lequel les particules sont très ordonnées, il peut passer à l'état liquide ou à l'état gazeux où les particules sont moins ordonnées.
Agitation thermique
Un changement d'état correspond à un réarrangement des particules les unes par rapport aux autres.
La fusion provoque le passage de l'état solide (compact et ordonné) à l'état liquide (état moins compact et désordonné).
Particules lors d'une fusion
La liquéfaction provoque le passage de l'état gazeux (dispersé et désordonné) à l'état liquide (état compact et désordonné).
Particules lors d'une liquéfaction
Les paliers de changement d'état
Bien que, généralement, la température d'un corps pur doive augmenter ou diminuer pour qu'un changement d'état ait lieu, dès que celui-ci a débuté, la température n'évolue plus.
Les changements d'état des corps purs se produisent à température constante. La courbe décrivant l'évolution de la température au cours d'un changement d'état fait alors apparaître un palier.
À pression ambiante, la fusion de l'eau pure a lieu à 0°C. Ainsi, lorsqu'on sort un glaçon du congélateur (où la température est d'environ -18°C), sa température va augmenter jusqu'à atteindre 0°C. Il va alors commencer à fondre et la température du mélange (eau solide - eau liquide) va rester à 0°C (c'est le palier de température). Une fois le glaçon totalement fondu, la température de l'eau liquide augmentera de nouveau.
Palier de température lors d'un changement d'état
Le cas de l'eau pure
À pression normale :
- La solidification et la fusion de l'eau pure ont lieu à 0°C.
- La vaporisation et la liquéfaction de l'eau pure ont lieu à 100°C.
Selon le taux d'humidité de l'air, des changements d'état liquide - gaz de l'eau peuvent avoir lieu à des températures inférieures à 100°C.
Lors d'une évaporation, l'eau liquide peut se transformer en gaz à température ambiante.
La masse et le volume lors d'un changement d'état
La conservation de la masse
Lors d'un changement d'état, les molécules changent de configuration, mais leur nombre ne change pas. La masse ne change pas, car le nombre de particules ne change pas.
Lorsqu'un glaçon fond, la masse d'eau liquide obtenue est égale à celle du glaçon.
Conservation de la masse lors d'une fusion
La variation du volume
Lors d'un changement d'état, les molécules changent de configuration et occupent un volume différent. Ainsi :
- À l'état liquide, les molécules occupent généralement un volume supérieur à celui de l'état solide.
- À l'état liquide, les molécules occupent un volume plus faible qu'à l'état gazeux.
1 L d'eau liquide occupera sous forme gazeuse un volume de 1240 L.
L'eau est l'un des rares corps à occuper un volume plus important à l'état solide qu'à l'état liquide.
Une bouteille remplie à ras bord d'eau liquide et placée au congélateur explosera si elle y reste suffisamment longtemps, l'eau solide prenant plus de place que celle disponible à l'intérieur de la bouteille.