Transformation physique

Les changements d’état

Équation d’un changement d’état :

espèce chimique (état 1) $\rightarrow$ espèce chimique (état 2)

Avec comme états possibles :

  • solide : (s)
  • liquide : ($\ell$)
  • gazeux : (g)

Rq : l'espèce chimique reste la même !

Exemples :

Équation de la sublimation du $\ce{CO2}$

$$\ce{CO2 (s) -> CO2 (g)}$$

Équation de la liquéfaction du méthane $\ce{CH4}$

$$\ce{CH4 (g) -> CH4 (\ell)}$$

Modélisation microscopique

  • L'état solide est condensé et organisé.
    Les entités ont des positions figées les unes par rapport aux autres (mais peuvent remuer autour de ces positions).
    L'énergie de liaison entre entités est grande.
  • L'état liquide est condensé et désorganisé.
    Les entités n'ont plus de positions figées.
    L'énergie de liaison entre entités est toujours grande mais moins que pour l'état solide.
  • L'état gazeux est dispersé et désordonné.
    L'énergie de liaison entre entités est faible.

Est-ce que le sucre fond dans le café ?

⚠︎

Ne pas confondre fusion et dissolution.

Transferts thermiques lors d’un changement d’état

Expérience :

On chauffe 1,0 kg d'eau glacée sortie
du congélateur dans un micro-onde
délivrant une puissance $P=\pu{800 W}$ à l'eau.
On mesure le temps $t$ et la température
de l'eau $T$ pendant le chauffage.

À quoi va ressembler la courbe $T=f(t)$ ?

Pendant les changements d’état,
l’énergie apportée n’augmente pas la température
$\Rightarrow$ il faut de l’énergie pour changer d’état
(vers un état moins condensé).

Pourquoi a-t-on généralement froid
en sortant de la mer ou de la douche ?

Le passage de l'eau de l'état liquide à l'état gazeux nécessite de l'énergie que l'eau prend à son environnement (ce qui le refroidit).

On dit que ce changement d'état est endothermique.

Changements d’état endothermiques
(= qui nécessitent de l’énergie pour se faire, refroidissant ainsi l’environnement
en récupérant son énergie thermique) :

  • vaporisation
  • fusion
  • sublimation

Qu’ont en commun les 3 changements d’état endothermiques ? Voyez-vous une explication microscopique ?

Ils correspondent au passage vers un état moins lié
(où les énergies de liaison entre entités sont
moins grandes) or il faut de l’énergie pour
libérer les entités de leurs chaînes.

À l’inverse, que se passe-t-il
(en terme d’énergie)
lors d’une liquéfaction
ou d’une solidification ?

De l'énergie thermique est libérée !

Cette fois-ci, la transformation est exothermique.

C’est le principe d’une chaudière à condensation :

récupérer l’énergie libérée lors de la condensation de la vapeur d’eau permet d’améliorer le rendement.

Et cela explique aussi comment les bouillottes “magiques” chauffent.

Changements d’état exothermiques
(= qui fournissent de l’énergie,
réchauffant ainsi l’environnement
en lui cédant de l’énergie thermique) :

  • liquéfaction
  • solidification
  • condensation

Énergie massique
de changement d’état

L'énergie massique de changement d'état $L$
d'une espèce chimique est l'énergie absorbée
(si elle est positive) ou cédée (si négative) lorsque 1 kg de cette espèce chimique change d'état.

unité : $\pu{J*kg-1}$

$L_{\text{état 1}\rightarrow\text{état 2}} = -L_{\text{état 2}\rightarrow\text{état 1}}$


Exemple :
pour une espèce chimique donnée $L_{\text{vaporisation}} = -L_{\text{liquéfaction}}$

Pour l’eau :

  • $L_{fus} = \pu{334 kJ*kg-1}$
  • $L_{vap} = \pu{2265 kJ*kg-1}$

Que vaut $L_{sol}$ ? $\pu{-334 kJ*kg-1}$

Un échantillon de masse $m$
d’une espèce chimique change d’état.
L’énergie massique du changement d’état vaut $L$.

Que vaut l'énergie thermique $Q$ échangée ?


$$Q = m\times L $$

Exemple :

Que vaut l’énergie thermique échangée $Q$
lorsque 500 g de fer fondu se solidifie à 1538°C ?

Donnée : $L_{fus} = \pu{247 kJ*kg-1}$

$Q = m\times L_{sol} = m\times(-L_{fus})$

$Q = - 0,500\times 247 \approx -\pu{124 kJ}$

Retour site