Les transformations physiques Cours

Sommaire

ILa description microscopique des changements d'étatIIL'écriture d'une équation de changement d'étatIIILe sens du transfert thermique lors d'un changement d'étatIVL'énergie et le changement d'étatAL'énergie massique d'un changement d'étatBL'énergie transférée lors d'un changement d'état
I

La description microscopique des changements d'état

Un changement d'état correspond à un réarrangement des particules les unes par rapport aux autres et à une évolution de leur liberté de mouvement.

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Dans la vie courante, on utilise souvent de manière incorrecte le verbe « fondre » au lieu de « dissoudre » mais il faut veiller à ne pas confondre la fusion et la dissolution : celle-ci correspond à la dispersion des particules dans un solvant.

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Lors d'un changement d'état, la masse est conservée.

II

L'écriture d'une équation de changement d'état

Une espèce chimique peut exister sous trois états physiques différents, indiqués par une lettre entre parenthèses en indice à la suite de sa formule brute :

  • (s) pour l'état solide      
  • (l) pour l'état liquide       
  • (g) pour l'état gaz  

L'eau liquide est notée {\text{H}_2\text{O}}_{\left(l\right)} et la glace {\text{H}_2\text{O}}_{\left(s\right)}  .

Pour écrire l'équation modélisant le changement d'état d'une espèce chimique, il faut préciser son état physique initial et final, ainsi que sa formule brute, celle-ci étant inchangée.

L'équation modélisant la fusion de la glace est :

\ce{H2O} _{\left(s\right)} \rightarrow\ce{H2O}_{\left(l\right)}

III

Le sens du transfert thermique lors d'un changement d'état

Plus la température d'un corps est élevée, plus les particules qui le composent sont agitées, on parle d'agitation thermique

À pression constante et au fur et à mesure que la température augmente, les changements d'état se font dans le sens d'une augmentation du désordre.

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Il existe des transferts d'énergie entre le système dans lequel se déroule une transformation chimique et le milieu extérieur :

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La fusion est une transformation endothermique alors que la condensation est exothermique.

Lors d'un changement d'état, la température est constante, on parle de palier de changement d'état.

Lorsqu'on élève la température de la glace, celle-ci commence à fondre quand sa température atteint 0 °C. Tant que dure la fusion, la température du mélange eau-glace ne varie pas et vaut 0 °C.

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IV

L'énergie et le changement d'état

A

L'énergie massique d'un changement d'état

Énergie massique d'un changement d'état

Pour un corps donné, l'énergie massique d'un changement d'état est l'énergie transférée lorsqu'un kilogramme de ce corps subit ce changement d'état. Elle s'exprime en joules par kilogramme (J.kg−1) et peut être dénommée de plusieurs façons :

  • énergie massique d'un changement d'état, notée E_{m \text{ changement d'état}}  ;
  • enthalpie de changement d'état, notée \Delta H_{\text{changement d'état}}  ;
  • chaleur latente, notée L_{\text{changement d'état}}.

L'énergie massique de fusion de la glace est :

E_{m\text{ fusion}} = 3,33 \cdot 10^5 \text{ J} \cdot \text{kg}^{-1}  ou  \Delta H_{\text{fusion}} = 3,33 \cdot 10^5 \text{ J} \cdot \text{kg}^{-1}

En toute rigueur, les énergies massiques de changement d'état sont algébriques. Elles sont alors :

  • positives, pour les transformations physiques endothermiques, puisqu'on doit apporter de l'énergie au système, par exemple en augmentant la température du milieu ;
  • négatives, pour les transformations physiques exothermiques, puisque le système libère de l'énergie, sous forme thermique.

 

Les énergies massiques de changement d'état concernant les mêmes états mais dans des sens différents sont opposées.

Pour l'eau, on a :

  • E_{m\text{ fusion}} \gt 0 \text{ J}
  • E_{m\text{ solidification}} \lt 0 \text{ J}
  • E_{m\text{ solidification}} = - E_{m\text{ fusion }} \left(= - 3,33 \cdot 10^5 \text{ J} \cdot \text{kg}^{-1}\right)

     

B

L'énergie transférée lors d'un changement d'état

Lorsqu'un corps change d'état, l'énergie transférée se détermine à partir de sa masse m et de l'énergie massique du changement d'état  E_{m\text{ changement d'état}}  :

E_{\text{transférée}}= m \times E_{m\text{ changement d'état}}

L'énergie qu'il faut apporter pour faire fondre 0,50 kg de glace est :

E_{\text{transférée}} = m \times E_{m\text{ fusion}}= 0,50 \times 3,33 \cdot 10^5 = 1,7 \cdot 10^5 \text{ J}

En utilisant des énergies massiques de changement d'état algébriques, on retrouve la correspondance entre le sens du transfert thermique et le signe de l'énergie transférée :

  • pour les transformations physiques endothermiques E_{\text{transférée}} \gt 0 \text{ J}  ;
  • pour les transformations physiques exothermiques E_{\text{transférée}} \lt 0 \text{ J}.

L'énergie que libère 0,50 kg d'eau qui se solidifie est :

E_{\text{libérée}}= m \times E_{m\text{ solidification}} = 0,50 \times \left(-3,33 \cdot 10^5\right)= - 1,7 \cdot 10^5 \text{ J} \lt 0 \text{ J}

L'énergie absorbée ou dégagée ou par un changement d'état peut servir à refroidir ou chauffer un corps.

  • Dans un réfrigérateur, c'est la liquéfaction, endothermique, du fluide caloriporteur qui absorbe la chaleur des aliments et permet de diminuer leur température.
  • Dans les « bouillotes autochauffantes », c'est la dissolution exothermique de l'acétate de sodium contenue dans une capsule qui produit de la chaleur.