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⚗️ Physique-Chimie2ndeCours
Transformation physique
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Cours
Transformation physique
Introduction
Quand de la glace fond, quand de l'eau bout, quand de la buée se forme sur une vitre froide, ce sont des transformations physiques : la matière change d'état (solide, liquide, gaz) mais sa nature chimique ne change pas. L'eau reste de l'eau, qu'elle soit sous forme de glace, d'eau liquide ou de vapeur.
Ce chapitre aborde les changements d'état sous un angle nouveau par rapport au collège : on apprend à les écrire sous forme d'équations, à les interpréter au niveau microscopique, et surtout à quantifier l'énergie qu'ils mettent en jeu.
1. Les changements d'état
1.1 Rappel : les six changements d'état
La matière existe sous trois états physiques principaux : solide, liquide et gazeux. Les passages de l'un à l'autre portent des noms spécifiques :
Exemples dans la vie courante et l'environnement :
- Fusion : la neige qui fond au printemps, un glaçon qui fond dans un verre.
- Solidification : l'eau qui gèle en hiver, la lave qui se solidifie en roche.
- Vaporisation : l'eau qui bout dans une casserole, l'évaporation d'une flaque.
- Liquéfaction : la buée sur un miroir de salle de bain, la rosée du matin.
- Sublimation : la naphtaline qui « disparaît » dans une armoire, la neige carbonique.
- Condensation (solide) : le givre qui se forme directement sur les vitres en hiver.
1.2 Distinguer fusion et dissolution
C'est une confusion très fréquente :
| Fusion | Dissolution | |
|---|---|---|
| Ce qui se passe | Un solide passe à l'état liquide | Un soluté se disperse dans un solvant |
| Cause | Augmentation de température | Contact avec un solvant |
| Résultat | Un seul corps pur liquide | Un mélange homogène (solution) |
| Exemple | La glace fond → eau liquide | Le sucre se dissout dans l'eau → eau sucrée |
| Nombre d'espèces | 1 espèce (même avant et après) | 2 espèces (soluté + solvant) |
À retenir : la fusion est un changement d'état (une seule espèce chimique, passage solide → liquide). La dissolution est la formation d'un mélange (le soluté se disperse dans le solvant).
2. Écriture symbolique d'un changement d'état
2.1 Convention d'écriture
On écrit un changement d'état comme une équation avec les symboles d'état :
- (s) pour solide
- (l) pour liquide
- (g) pour gazeux
La flèche → indique le sens de la transformation.
Exemples :
- Fusion de la glace : H₂O(s) → H₂O(l)
- Vaporisation de l'eau : H₂O(l) → H₂O(g)
- Solidification de l'eau : H₂O(l) → H₂O(s)
- Sublimation du diiode : I₂(s) → I₂(g)
- Liquéfaction de la vapeur d'eau : H₂O(g) → H₂O(l)
2.2 Ce qui change et ce qui ne change pas
Lors d'un changement d'état :
- La nature chimique de l'espèce ne change pas : la formule chimique est identique des deux côtés de la flèche.
- La masse se conserve : on ne crée ni ne détruit de matière.
- Seul l'état physique change : ce sont les lettres entre parenthèses qui diffèrent.
3. Modélisation microscopique
3.1 Interprétation au niveau des entités
À l'échelle microscopique, les trois états de la matière se distinguent par l'organisation et l'agitation des entités chimiques :
État solide : les entités sont ordonnées, proches les unes des autres, et vibrent faiblement autour de positions fixes. La structure est compacte et rigide.
État liquide : les entités sont proches mais désordonnées. Elles glissent les unes sur les autres, ce qui explique que le liquide prend la forme de son récipient.
État gazeux : les entités sont très éloignées les unes des autres et se déplacent dans toutes les directions à grande vitesse. Le gaz occupe tout le volume disponible.
3.2 Ce qui se passe lors d'un changement d'état
Lors d'un changement d'état, les entités chimiques ne sont ni créées, ni détruites, ni transformées. Ce qui change, c'est l'organisation et la distance entre elles :
- Fusion / vaporisation : les entités s'éloignent et se désorganisent → il faut fournir de l'énergie pour rompre les interactions entre elles.
- Solidification / liquéfaction : les entités se rapprochent et s'organisent → le système libère de l'énergie.
4. Transformations endothermiques et exothermiques
4.1 Définitions
Lors d'un changement d'état, il y a un transfert d'énergie thermique (chaleur) entre le système et son environnement :
Transformation endothermique : le système absorbe de l'énergie thermique de son environnement. La température de l'environnement diminue (ou il faut chauffer pour que la transformation se produise).
Exemples endothermiques : fusion, vaporisation, sublimation. → On doit fournir de la chaleur pour qu'elles se produisent.
Transformation exothermique : le système libère de l'énergie thermique vers son environnement. La température de l'environnement augmente.
Exemples exothermiques : solidification, liquéfaction, condensation solide. → Elles se produisent en libérant de la chaleur.
4.2 Règle simple pour retenir
Astuce : quand on passe d'un état ordonné vers un état désordonné (solide → liquide → gaz), il faut fournir de l'énergie (endothermique). Quand on passe d'un état désordonné vers un état ordonné (gaz → liquide → solide), le système libère de l'énergie (exothermique).
5. Énergie de changement d'état
5.1 Énergie massique de changement d'état
L'énergie transférée lors d'un changement d'état dépend de deux facteurs : la nature de l'espèce chimique et la masse qui change d'état.
On définit l'énergie massique de changement d'état (notée L) comme l'énergie nécessaire pour faire changer d'état 1 kg d'une espèce chimique, à sa température de changement d'état. Elle s'exprime en J·kg⁻¹ (ou kJ·kg⁻¹).
5.2 La relation fondamentale
avec :
- Q : énergie transférée lors du changement d'état (en J),
- m : masse de l'espèce qui change d'état (en kg),
- L : énergie massique de changement d'état (en J·kg⁻¹).
Attention aux unités : si L est en kJ·kg⁻¹, il faut soit convertir m en kg, soit convertir L en J·kg⁻¹ (× 1 000).
5.3 Valeurs de référence
| Changement d'état | Espèce | L (kJ·kg⁻¹) |
|---|---|---|
| Fusion de la glace | H₂O | 334 |
| Vaporisation de l'eau | H₂O | 2 260 |
| Fusion du fer | Fe | 272 |
| Vaporisation de l'éthanol | C₂H₆O | 841 |
Observation : la vaporisation de l'eau nécessite environ 7 fois plus d'énergie que sa fusion. Cela s'explique par le fait qu'il faut rompre beaucoup plus d'interactions entre molécules pour passer de liquide à gaz que pour passer de solide à liquide.
5.4 Exemples d'application
Exemple 1 : quelle énergie faut-il fournir pour faire fondre 500 g de glace à 0 °C ?
Q = m × L = 0,500 × 334 × 10³ = 167 000 J = 167 kJ
Exemple 2 : quelle énergie faut-il fournir pour vaporiser 200 g d'eau à 100 °C ?
Q = m × L = 0,200 × 2 260 × 10³ = 452 000 J = 452 kJ
Exemple 3 (applications) : l'énergie massique de changement d'état est exploitée dans de nombreuses applications :
- Les packs de froid utilisés en sport contiennent des substances dont la fusion absorbe de l'énergie (effet refroidissant).
- La transpiration refroidit le corps car l'évaporation de la sueur est endothermique.
- Les centrales thermiques exploitent l'énergie libérée lors de la condensation de la vapeur d'eau.
L'essentiel du chapitre
Changement d'état : passage d'un état physique à un autre. La nature chimique de l'espèce ne change pas. Six changements : fusion, solidification, vaporisation, liquéfaction, sublimation, condensation solide.
Écriture symbolique : H₂O(s) → H₂O(l) pour la fusion, etc. Symboles d'état : (s), (l), (g).
Fusion ≠ dissolution : la fusion est un changement d'état (1 espèce), la dissolution est la formation d'un mélange (2 espèces).
Modèle microscopique : les entités ne changent pas de nature ; c'est leur organisation et leur distance qui évoluent.
Endothermique : le système absorbe de l'énergie (fusion, vaporisation, sublimation). Exothermique : le système libère de l'énergie (solidification, liquéfaction, condensation).
Énergie de changement d'état : Q = m × L (Q en J, m en kg, L en J·kg⁻¹). La vaporisation de l'eau nécessite environ 2 260 kJ·kg⁻¹, sa fusion 334 kJ·kg⁻¹.
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