Transformations physiques : cours de Seconde et exercices

1Les changements d’état

Définition. Une transformation physique modifie l’état physique d’une espèce chimique sans modifier sa nature : les entités restent les mêmes, seule leur disposition change. Les changements d’état en sont l’exemple principal.

Figure 1 — Les six changements d’état

Figure 2 — Les trois états à l’échelle microscopique

Notation. On écrit un changement d’état comme une équation, avec l’état physique entre parenthèses : $\ce{(s)}$ solide, $\ce{(l)}$ liquide, $\ce{(g)}$ gaz. Fusion de la glace : $\ce{H2O(s) -> H2O(l)}$ ; vaporisation de l’éthanol : $\ce{C2H6O(l) -> C2H6O(g)}$ .

2Description microscopique

Propriété — les trois états. dans un solide, les entités sont très proches et ordonnées ; elles ne peuvent que vibrer autour d’une position fixe : forme et volume propres. Dans un liquide, elles restent au contact mais sont désordonnées et peuvent glisser : volume propre, pas de forme propre. Dans un gaz, elles sont très éloignées, désordonnées et très agitées : ni forme ni volume propres, l’état est compressible et expansible.

Propriété — conservation de la masse. au cours d’un changement d’état, le nombre d’entités ne change pas : la masse se conserve. En revanche le volume varie, donc la masse volumique aussi (fortement lors d’une vaporisation).

Remarque. Sous pression constante, un corps pur change d’état à température constante : sa courbe de température présente un palier (fusion de l’eau à ${0{}^{\circ}\mathrm{C}}$ , ébullition à ${100{}^{\circ}\mathrm{C}}$ sous la pression atmosphérique normale). Un mélange, en général, change d’état sur un intervalle de température : pas de palier.

Attention

Ne pas confondre fusion et dissolution : la fusion fait passer une seule espèce de l’état solide à l’état liquide sous l’effet d’un apport d’énergie ; la dissolution disperse un soluté dans un solvant et met donc en jeu au moins deux espèces. Le sel qui disparaît dans l’eau se dissout, il ne fond pas.

3Aspect énergétique

Définition. Une transformation est endothermique lorsque le système reçoit de l’énergie du milieu extérieur, exothermique lorsqu’il lui en cède.

Propriété. La fusion, la vaporisation et la sublimation sont endothermiques : il faut fournir de l’énergie pour séparer les entités. Les transformations inverses — solidification, liquéfaction, condensation — sont exothermiques.

FormulaireLe formulaire du chapitre

Énergie transférée lors du changement d’état d’une masse $m$ : $Q=m\times L$
$Q$ en ${\mathrm{J}}$ ; $m$ en ${\mathrm{kg}}$ ; $L$ en ${\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}}$ : $L$ est l’énergie massique de changement d’état, caractéristique de l’espèce et du changement d’état.
Le changement d’état inverse met en jeu la même énergie : une masse $m$ d’eau qui gèle cède $Q=m\times L_{\text{fus}}$ , l’énergie qu’elle avait reçue pour fondre.
Conversions : ${1\,\mathrm{kJ}}={1\,000\,\mathrm{J}}$ ; ${1\,\mathrm{g}}={1\times10^{-3}\,\mathrm{kg}}$ .

DonnéesÉnergies massiques de changement d’état

L

, en

{\mathrm{J}{\cdot}\mathrm{kg}^{-1}}

Fusion de l’eau : ${3{,}34\times10^{5}}$ ; vaporisation de l’eau : ${2{,}26\times10^{6}}$ ; vaporisation de l’éthanol : ${8{,}5\times10^{5}}$ ; fusion de l’aluminium : ${3{,}97\times10^{5}}$ .

4Savoir-faire du chapitre

Savoir-faire

Nommer les six changements d’état et les placer sur un diagramme ; les reconnaître dans une situation du quotidien.
Écrire l’équation symbolique d’un changement d’état avec les états physiques $\ce{(s)}$ , $\ce{(l)}$ , $\ce{(g)}$ .
Décrire les trois états à l’échelle microscopique et relier ce modèle aux propriétés macroscopiques.
Distinguer fusion et dissolution, transformation physique et transformation chimique.
Prévoir si un changement d’état est endothermique ou exothermique.
Calculer $Q$ , $m$ ou $L$ à l’aide de $Q=m\times L$ , en convertissant les unités.

5Exemples types

Exempleénergie nécessaire à une fusion

Quelle énergie faut-il fournir pour faire fondre $m={250\,\mathrm{g}}$ de glace déjà à ${0{}^{\circ}\mathrm{C}}$ ? On convertit $m={0{,}250\,\mathrm{kg}}$ , puis $Q=m\,L=0{,}250\times{3{,}34\times10^{5}}={8{,}35\times10^{4}\,\mathrm{J}}$ , soit environ ${83{,}5\,\mathrm{kJ}}$ .

Exemplemasse transformée

Un thermoplongeur fournit $Q={1{,}0\times10^{5}\,\mathrm{J}}$ à de l’eau déjà à ${100{}^{\circ}\mathrm{C}}$ . La masse vaporisée vaut $m=\dfrac{Q}{L}=\dfrac{{1{,}0\times10^{5}}}{{2{,}26\times10^{6}}}={4{,}4\times10^{-2}\,\mathrm{kg}}$ , soit ${44\,\mathrm{g}}$ d’eau.

Exemplesens du transfert

Un glaçon posé sur la main fond : la fusion est endothermique, le glaçon prend de l’énergie à la main, qui se refroidit. Inversement, la vapeur d’eau qui se liquéfie sur une vitre lui cède de l’énergie : la liquéfaction est exothermique.

Pièges

Confondre liquéfaction (gaz $\rightarrow$ liquide) et condensation (gaz $\rightarrow$ solide) : la buée est une liquéfaction, le givre une condensation.
Dire que le sel « fond » dans l’eau : il se dissout ; la fusion ne met en jeu qu’une seule espèce.
Croire que la masse change lors d’un changement d’état : elle se conserve, c’est le volume qui varie.
Oublier de convertir la masse en kilogrammes avant d’appliquer $Q=m\times L$ .
Penser qu’une transformation physique modifie les molécules : l’eau liquide et la vapeur d’eau sont faites des mêmes molécules $\ce{H2O}$ .

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Transformations physiques

1Les changements d’état

2Description microscopique

3Aspect énergétique

4Savoir-faire du chapitre

5Exemples types

Exercices, contrôles et sujets

Exercices de base

Exercices d'application

Contrôle A

Contrôle B

Approfondissement

Devoir bilan

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