Physique-Chimie — Seconde
Transformations physiques et énergie de changement d'état — Physique-Chimie Seconde (chapitre 8)
Transformations physiques en seconde : les trois états de la matière et leur modélisation microscopique, les six changements d'état, écriture symbolique,…
Par ProfBot
Transformations physiques et énergie de changement d'état
Chapitre 8 — Constitution et transformations de la matière · Seconde générale et technologique
Un glaçon qui fond, une flaque qui sèche, de la buée sur une vitre : la matière change d'état sans changer d'espèce. L'eau liquide et la glace sont la même espèce chimique — mêmes molécules, mêmes formules — dans deux organisations différentes. C'est ce qui définit une transformation physique.
Ces transformations mettent en jeu des énergies considérables, bien plus grandes qu'on ne l'imagine : c'est parce que la transpiration s'évapore que le corps se refroidit, et c'est parce que fondre coûte cher en énergie qu'un glaçon met si longtemps à disparaître.
Au programme officiel. Écriture symbolique d'un changement d'état ; modélisation microscopique d'un changement d'état ; transformations physiques endothermiques et exothermiques ; énergie de changement d'état et applications. Citer des exemples de changements d'état physique de la vie courante et dans l'environnement. Établir l'écriture d'une équation pour un changement d'état. Distinguer fusion et dissolution. Identifier le sens du transfert thermique lors d'un changement d'état et le relier au terme exothermique ou endothermique. Exploiter la relation entre l'énergie transférée lors d'un changement d'état et l'énergie massique de changement d'état de l'espèce. Relier l'énergie échangée à la masse de l'espèce qui change d'état.
1. Les trois états, vus de près
Définition. Une transformation physique modifie l'état de la matière — solide, liquide ou gazeux — mais pas les espèces chimiques présentes. Aucune liaison entre atomes n'est rompue : ce sont les entités entières qui se réorganisent.
Dans l'état solide, les entités sont serrées et ordonnées : elles vibrent sur place, le solide a une forme propre. Dans l'état liquide, elles restent serrées mais désordonnées et peuvent glisser les unes sur les autres : le liquide prend la forme du récipient. Dans l'état gazeux, elles sont dispersées, très éloignées, animées de grandes vitesses : le gaz occupe tout le volume disponible.
Deux conséquences directes, souvent demandées.
- Compacité. Solide et liquide sont compacts (entités au contact), le gaz ne l'est pas. C'est pourquoi un litre d'eau liquide donne environ $1700\ \mathrm{L}$ de vapeur à $100\ \mathrm{°C}$ sous pression atmosphérique.
- Conservation de la masse. Une transformation physique conserve les entités, donc la masse. Le volume, lui, change — beaucoup.
2. Les six changements d'état
| Changement | Nom | Sens du transfert thermique |
|---|---|---|
| solide → liquide | fusion | le système reçoit de l'énergie : endothermique |
| liquide → solide | solidification | le système cède de l'énergie : exothermique |
| liquide → gaz | vaporisation | endothermique |
| gaz → liquide | liquéfaction | exothermique |
| solide → gaz | sublimation | endothermique |
| gaz → solide | condensation | exothermique |
La règle qui évite d'apprendre le tableau. Aller vers un état plus désordonné (solide → liquide → gaz) demande de séparer les entités : cela coûte de l'énergie, la transformation est endothermique. Le sens inverse la restitue : elle est exothermique. Il suffit donc de se rappeler le sens de la flèche.
Vocabulaire. Endothermique : le système reçoit de l'énergie de l'extérieur, qui se refroidit. Exothermique : le système cède de l'énergie à l'extérieur, qui se réchauffe.
Deux exemples de la vie courante. La sublimation existe bel et bien : c'est ce qui fait disparaître le linge gelé étendu dehors sans qu'il ait fondu, et c'est le principe de la neige carbonique ($\mathrm{CO_2}$ solide), qui passe directement à l'état gazeux. La condensation, elle, forme le givre sur une vitre froide — de la vapeur d'eau qui se dépose en glace sans passer par l'eau liquide.
3. L'écriture symbolique
Un changement d'état s'écrit comme une équation, en précisant l'état physique entre parenthèses :
$\mathrm{H_2O\,(s)} \longrightarrow \mathrm{H_2O\,(\ell)} \qquad \text{(fusion de la glace)}$ $\mathrm{H_2O\,(\ell)} \longrightarrow \mathrm{H_2O\,(g)} \qquad \text{(vaporisation de l'eau)}$ $\mathrm{CO_2\,(s)} \longrightarrow \mathrm{CO_2\,(g)} \qquad \text{(sublimation de la neige carbonique)}$
Les quatre symboles à connaître : $\mathrm{(s)}$ solide, $\mathrm{(\ell)}$ liquide, $\mathrm{(g)}$ gaz, $\mathrm{(aq)}$ en solution aqueuse.
La formule est la même des deux côtés : c'est la signature d'une transformation physique. Si les formules changeaient, ce serait une transformation chimique (chapitre 9).
Fusion n'est pas dissolution. Les deux font disparaître un solide dans un liquide, mais rien d'autre ne les rapproche.
— La fusion est une transformation physique d'un corps pur qui passe à l'état liquide par élévation de température : $\mathrm{H_2O\,(s)} \to \mathrm{H_2O\,(\ell)}$. Il n'y a qu'une espèce.
— La dissolution est la dispersion d'un soluté dans un solvant, à température ordinaire : $\mathrm{NaCl\,(s)} \to \mathrm{Na^{+}(aq)} + \mathrm{Cl^{-}(aq)}$. Il y a deux espèces, et le résultat est une solution (chapitre 3).
Le sel fond à $801\ \mathrm{°C}$ ; il se dissout dans l'eau à $20\ \mathrm{°C}$. Ce ne sont pas les mêmes phénomènes.
4. L'énergie d'un changement d'état
Pendant un changement d'état, la température ne varie pas (chapitre 2) alors que le système continue de recevoir de l'énergie. Où passe-t-elle ? À séparer les entités les unes des autres, pas à les agiter davantage.
Relation à connaître. L'énergie $E$ transférée lors du changement d'état d'une masse $m$ d'une espèce vaut
$E = m \times L$
où $L$ est l'énergie massique de changement d'état de l'espèce, en $\mathrm{J\cdot kg^{-1}}$. Elle dépend de l'espèce et du changement considéré.
| Espèce | Énergie massique de fusion | Énergie massique de vaporisation |
|---|---|---|
| Eau | $3{,}34\times10^{5}\ \mathrm{J\cdot kg^{-1}}$ | $2{,}26\times10^{6}\ \mathrm{J\cdot kg^{-1}}$ |
| Éthanol | $1{,}08\times10^{5}\ \mathrm{J\cdot kg^{-1}}$ | $8{,}55\times10^{5}\ \mathrm{J\cdot kg^{-1}}$ |
Température d'un kilogramme d'eau en fonction de l'énergie qu'on lui fournit, depuis la glace à $-20\ \mathrm{°C}$ jusqu'à la vapeur à $120\ \mathrm{°C}$. Les deux paliers sautent aux yeux, et surtout leur différence de longueur : la vaporisation consomme près de sept fois plus d'énergie que la fusion. C'est pourquoi il faut quelques minutes pour porter une casserole d'eau à ébullition, et beaucoup plus longtemps pour la faire déborder à sec.
Un ordre de grandeur qui frappe. Fondre $1\ \mathrm{kg}$ de glace demande $334\ \mathrm{kJ}$. Avec la même énergie, on pourrait chauffer $1\ \mathrm{kg}$ d'eau liquide de $0$ à $80\ \mathrm{°C}$ (l'eau liquide demande $4185\ \mathrm{J}$ par kilogramme et par degré). Le glaçon dans le verre ne se contente pas de refroidir la boisson : il lui prend une énergie considérable en fondant, et c'est cela qui rafraîchit.
Applications. La transpiration refroidit le corps parce que l'eau qui s'évapore prend son énergie de vaporisation à la peau. Un brumisateur rafraîchit une terrasse pour la même raison. À l'inverse, les arboriculteurs aspergent d'eau leurs arbres fruitiers par temps de gel : en se solidifiant, l'eau libère son énergie de fusion et maintient les bourgeons à $0\ \mathrm{°C}$ au lieu de les laisser descendre plus bas.
Exercices corrigés
Exercice 1 — Nommer et écrire
Pour chacune des situations, nommer le changement d'état, préciser s'il est endothermique ou exothermique, et écrire l'équation correspondante. a. De la buée se forme sur une vitre froide. b. Du linge gelé sèche dehors par $-5\ \mathrm{°C}$ sans fondre. c. Un lac gèle en surface.
Correction. a. La vapeur d'eau de l'air passe à l'état liquide : c'est une liquéfaction, exothermique. $\mathrm{H_2O\,(g)} \to \mathrm{H_2O\,(\ell)}$. b. La glace passe directement à l'état gazeux : c'est une sublimation, endothermique. $\mathrm{H_2O\,(s)} \to \mathrm{H_2O\,(g)}$. c. L'eau liquide passe à l'état solide : c'est une solidification, exothermique. $\mathrm{H_2O\,(\ell)} \to \mathrm{H_2O\,(s)}$.
Exercice 2 — Calculer une énergie
a. Quelle énergie faut-il fournir pour faire fondre $500\ \mathrm{g}$ de glace déjà à $0\ \mathrm{°C}$ ? b. Quelle énergie faut-il pour vaporiser $200\ \mathrm{g}$ d'eau déjà à $100\ \mathrm{°C}$ ? c. Comparer les deux résultats et commenter.
Correction. a. $E = m \times L_{\text{fusion}} = 0{,}500 \times 3{,}34\times10^{5} = 1{,}67\times10^{5}\ \mathrm{J}$, soit $167\ \mathrm{kJ}$. b. $E = 0{,}200 \times 2{,}26\times10^{6} = 4{,}52\times10^{5}\ \mathrm{J}$, soit $452\ \mathrm{kJ}$. c. Vaporiser $200\ \mathrm{g}$ d'eau coûte 2,7 fois plus que fondre $500\ \mathrm{g}$ de glace, alors qu'il y a deux fois et demie moins de matière. La vaporisation, qui sépare complètement les molécules, est de loin le changement d'état le plus coûteux.
Exercice 3 — Retrouver une masse
Un congélateur retire $9{,}0\times10^{4}\ \mathrm{J}$ à de l'eau liquide déjà à $0\ \mathrm{°C}$.
a. La transformation est-elle endothermique ou exothermique pour l'eau ? b. Quelle masse d'eau se solidifie ?
Correction. a. L'eau cède de l'énergie au congélateur : pour le système « eau », la solidification est exothermique. b. L'énergie massique de solidification a la même valeur que celle de fusion (c'est le même changement, en sens inverse) : $m = \frac{E}{L} = \frac{9{,}0\times10^{4}}{3{,}34\times10^{5}} = 0{,}27\ \mathrm{kg} = 2{,}7\times10^{2}\ \mathrm{g}$
Les données n'ont que deux chiffres significatifs : écrire « $269\ \mathrm{g}$ » serait annoncer une précision qu'on n'a pas (chapitre 1).
Exercice 4 — Fusion ou dissolution ?
Indiquer, pour chaque situation, s'il s'agit d'une fusion ou d'une dissolution, et écrire l'équation. a. Un morceau de sucre disparaît dans le café. b. Un cube de beurre placé dans une poêle chaude devient liquide. c. Du sel répandu sur une route verglacée fait disparaître la glace.
Correction. a. Dissolution du saccharose dans l'eau : $\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}\,(s)} \to \mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}\,(aq)}$. Le sucre ne fond pas, il se disperse. b. Fusion du beurre, transformation physique par élévation de température. c. Ni l'un ni l'autre tout à fait : le sel se dissout dans le mince film d'eau liquide présent à la surface de la glace, et la solution ainsi formée gèle à une température plus basse que l'eau pure. C'est cet abaissement qui fait fondre la glace à température constante. Les deux phénomènes interviennent, ce qui rend cet exemple si instructif.
L'essentiel
- Une transformation physique change l'état, pas les espèces : la formule chimique est identique des deux côtés.
- Solide : compact et ordonné. Liquide : compact et désordonné. Gaz : dispersé.
- Six changements d'état ; aller vers plus de désordre est endothermique, l'inverse est exothermique.
- Écriture symbolique avec les états $\mathrm{(s)}$, $\mathrm{(\ell)}$, $\mathrm{(g)}$, $\mathrm{(aq)}$.
- Fusion ≠ dissolution : l'une est un changement d'état d'un corps pur, l'autre la dispersion d'un soluté dans un solvant.
- $E = m \times L$ : l'énergie d'un changement d'état est proportionnelle à la masse.
- Pour l'eau : $L_{\text{fusion}} = 3{,}34\times10^{5}\ \mathrm{J\cdot kg^{-1}}$ et $L_{\text{vaporisation}} = 2{,}26\times10^{6}\ \mathrm{J\cdot kg^{-1}}$ — près de sept fois plus.