Fiche de physique - chimie
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LES TRANSFORMATIONS PHYSIQUES

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I. Les changements d'état d'un corps pur

1. Définition

Définition
Un changement d'état est une transformation physique au cours de laquelle une espèce passe d'un état physique (solide, liquide ou gazeux) à un autre.



2. Rappels - Modélisation MACROSCOPIQUE d'un changement d'état

Remarque importante : les changements d'état ont été largement abordés en classe de 5ème, il est donc fortement recommandé de relire attentivement cette fiche : fiches Changement d'états de l'eau
Définitions
Chaque changement d'état porte un nom qui lui est propre :

Le passage de l'état solide à l'état liquide est appelé la FUSION ;

Le passage de l'état liquide à l'état solide est à contrario appelé la SOLIDIFICATION ;

Le passage de l'état liquide à l'état gazeux est appelé l'EVAPORATION ;

Le passage de l'état gazeux à l'état liquide est à contrario appelé la LIQUEFACTION (souvent désignée abusivement par "condensation") ;

Le passage de l'état gazeux à l'état solide est appelé la CONDENSATION ;

Le passage de l'état solide à l'état gazeux est à contrario appelé la SUBLIMATION.

Quelques exemples (notamment issus de la fiche de 5ème) :
- un glaçon qui fond dans un verre est une transformation physique : il passe de l'état solide à l'état liquide, c'est ce qu'on appelle une fusion ;
- un pot fermé, rempli de vapeur d'eau, plongé dans un bain de glace voit de l'eau liquide se former, qui se dépose au fond de ce pot : c'est une liquéfaction ;
- lorsque le volume d'eau de cuisson diminue dans une casserole : il s'agit d'une vaporisation ;
- le givre qui se forme sur une voiture l'hiver correspond à une solidification ;
- etc.

ATTENTION :
- il ne faut pas confondre la fusion (= passage de l'état solide à l'état liquide) et la dissolution (= action de dissoudre un soluté) !
- par exemple, il ne faut pas dire ou écrire que "le sucre fond dans le café/thé" mais bien que "le sucre se dissout dans le café". En effet, ce dernier ne subit pas de changement d'état, il ne fait que se disperser dans la boisson.

Propriétés
Le nombre et la nature des espèces chimiques intervenant dans un changement d'état ne varient pas : la masse reste en effet constante.

Lors d'un changement d'état d'un corps pur, la température reste constante : il y a des paliers de température qui sont caractéristiques de la substance.

À ces températures particulières, les deux états coexistent simultanément.

Exemple : on considère un glaçon d'eau pure et qu'on augmente progressivement sa température au cours du temps, à pression constante, on obtiendra le graphique suivant :

Les transformations physiques : image 2


3. Modélisation MICROSCOPIQUE d'un changement d'état

Un solide pur n'est constitué que d'un seul type d'atomes (ou molécules) ; il est modélisé par un ensemble d'atomes (ou molécules) qui sont "serrés" les uns contre les autres et soudés ensemble. On dit que l'état solide est compact et ordonné.

Un liquide pur n'est constitué que d'un seul type d'atomes (ou molécules) ; il est modélisé par un ensemble d'atomes qui sont "tassés" mais ils peuvent "glisser" les uns sur les autres. On dit que l'état liquide est compact et désordonné.

Un gaz pur n'est constitué que d'un seul type d'atomes (ou molécules) ; il est modélisé par un ensemble d'atomes peu nombreux, libres, en mouvement rapide et désordonné. On dit que l'état gazeux est dispersé et très désordonné.

Propriété
Dans un changement d'état :

Une augmentation de la température entraîne un accroissement de l'agitation des atomes (ou des molécules) de l'espèce chimique considérée ;

Réciproquement, une diminution de la température entraîne une décroissance de l'agitation des atomes (ou molécules) de l'espèce chimique considérée.

4. Synthèse - Modélisation MACROSCOPIQUE d'un changement d'état



Les transformations physiques : image 3

5. Ecriture symbolique d'un changement d'état


A retenir
L'écriture d'un changement d'état d'une espèce chimique se note avec la formule chimique de cette espèce, accompagnée de l'état physique en indice et entre parenthèses.

Notation : on utilisera un "s" pour désigner l'état solide, un "l" pour désigner l'état liquide et un "g" pour désigner l'état gazeux.

Exemple : l'eau passant de l'état solide, à l'état liquide puis enfin à l'état gazeux, aura pour équation de changement d'état : \boxed{H_2O_{(s)} \rightarrow H_2O_{(l)} \rightarrow H_2O_{(g)}}

II. Aspects énergétiques d'une transformation physique

1. Notion de transfert thermique

Définition
Le transfert thermique Q ~ ou ~ E ~ou ~ L est une énergie échangée sous forme de chaleur par l'espèce chimique qui subit le changement d'état avec le système considéré ;

Son unité est le joule (J).

Le système est l'ensemble d'espèces chimiques étudié lors de la transformation physique.

Tout ce qui n'appartient pas au système est le milieu extérieur.

L'ensemble du système et du milieu extérieur constitue ce qu'on appelle "l'Univers".

Par convention:
- si l'espèce reçoit de la chaleur alors le transfert thermique sera positif (Q ~ ou ~ E ~ ou ~ L > 0)
- à l'inverse, si l'espèce cède de la chaleur alors le transfert thermique sera négatif (Q ~ ou ~ E ~ ou ~ L <0) .

2. Transformations endothermiques et exothermiques

Définition
Un changement d'état endothermique est une transformation au cours de laquelle le système absorbe de l'énergie (Q ~ ou ~ E > 0). Généralement, cela se traduit par une diminution de sa température.

Un changement d'état exothermique est une transformation au cours de laquelle le système libère de l'énergie (Q ~ ou ~ E < 0). Généralement, cela se traduit par une augmentation de sa température.

Ainsi, expérimentalement, on peut observer que :
* Lors d'une fusion, d'une vaporisation ou d'une sublimation, la transformation du système est endothermique ;
* Lors d'une solidification, d'une liquéfaction ou d'une condensation, la transformation du système est exothermique.

3. Énergie de changement d'état

Définition
Lors d'un changement d'état, l'énergie liée à cette transformation est appelée énergie massique de changement d'état ou chaleur latente, notée Q_m ~ ou ~ E_m ~ ou ~ L_m.

Elle est caractéristique de l'espèce considérée.

Elle correspond à la quantité d'énergie que le système doit absorber ou céder pour qu'une masse m de l'espèce chimique considérée change d'état :

\boxed{Q_m ~ ou ~ E_m ou ~ L_m = \dfrac{E ~ ou ~ Q ~ ou ~ L}{m}}


Son unité est le joule par kilogramme (J/kg ou J.kg^{-1}).

Expérimentalement, on peut observer que :
* Les chaleurs latentes de fusion, de vaporisation et de sublimation sont positives ;
* Les chaleurs latentes de solidification, de liquéfaction et de condensation sont négatives ;
* Ainsi, pour une même espèce, les chaleurs latentes de changements d'état opposés (par exemple vaporisation vs liquéfaction) sont égales en valeur absolue, mais de signes contraires

4. Application : la calorimétrie

En pratique, la détermination de l'énergie latente peut s'effectuer dans un calorimètre.

En effet, ce dernier a la propriété de n'échanger presque aucune énergie avec l'extérieur.

Ainsi, idéalement, on peut considérer que la somme de tous les échanges de chaleur à l'intérieur d'un calorimètre est nulle.

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