Les changements d'état physique d'un corps pur
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• nommer les changements d'état (fusion, solidification, vaporisation, liquéfaction, sublimation, condensation) ;
• montrer qu'un corps pur change d'état à température constante (palier) et lire une courbe θ = f(t) ;
• distinguer l'ébullition et l'évaporation ;
• montrer que la masse se conserve lors d'un changement d'état ;
• interpréter les changements d'état à l'échelle des particules.
Prérequis : états de la matière, mesure de la température, de la masse et du volume.
Situation de départ
La neige des sommets du Chaambi fond au printemps ; le linge étendu sèche, plus vite en été qu'en hiver ; un nuage donne de la pluie ou de la grêle.
Dans tous ces cas, l'eau change d'état. Que se passe-t-il exactement ? Et pourquoi la température de l'eau qui bout ne dépasse-t-elle pas 100 °C, même sur un feu très fort ?
I. Les six changements d'état
Un corps peut passer d'un état physique à un autre quand on fait varier sa température (on le chauffe ou on le refroidit). Chaque changement d'état porte un nom, et chacun a un changement inverse :
Les changements d'état
| Passage | Nom | Inverse |
|---|---|---|
| solide vers liquide | fusion | solidification |
| liquide vers gaz | vaporisation | liquéfaction |
| solide vers gaz | sublimation | condensation |
II. Solidification et fusion
1. La solidification de l'eau
Plongeons un tube contenant un peu d'eau pure dans un mélange réfrigérant (glace pilée et sel, vers -15 °C), avec un thermomètre dont le réservoir ne touche pas la paroi. Relevons la température chaque minute :
• la température de l'eau liquide baisse jusqu'à 0 °C ;
• les premiers cristaux de glace apparaissent ; la température reste égale à 0 °C tant qu'il reste de l'eau liquide : c'est un palier ;
• quand toute l'eau est solide, la température de la glace baisse à nouveau.
2. La fusion de la glace
Sortons le tube du mélange réfrigérant : la température de la glace monte jusqu'à 0 °C, puis reste à 0 °C pendant toute la fusion. Quand toute la glace a fondu, la température de l'eau liquide augmente.
Sous la pression atmosphérique normale, la fusion et la solidification de l'eau pure se font à la même température constante, 0 °C. Pendant le changement d'état, le solide et le liquide coexistent.
L'eau salée ne se solidifie pas à 0 °C mais à une température plus basse (jusqu'à -21 °C environ). Le mélange glace et sel reste donc liquide et froid bien au-dessous de 0 °C : il peut refroidir l'eau du tube jusqu'à sa solidification. C'est aussi pourquoi on sale les routes verglacées.
III. Vaporisation et liquéfaction
1. L'ébullition
Chauffons de l'eau pure dans un ballon avec un chauffe-ballon. La température monte, puis, à 100 °C, de grosses bulles de vapeur se forment au sein du liquide et éclatent à la surface : c'est l'ébullition. La température reste égale à 100 °C pendant toute l'ébullition, et la quantité d'eau liquide diminue. Il faut chauffer sans arrêt pour entretenir l'ébullition.
Sous la pression atmosphérique normale, l'eau pure bout à 100 °C ; la température reste constante pendant l'ébullition (palier).
La température d'ébullition dépend de la pression au-dessus du liquide. En montagne, la pression est plus faible : à 3 000 m d'altitude, l'eau bout vers 90 °C. Dans une cocotte-minute, la pression est plus forte : l'eau bout vers 120 °C et les aliments cuisent plus vite.
2. L'évaporation
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