Ressources · 2ⁿᵈᵉ · Physique-Chimie (2nde)
Transformations physiques : changements d’état et énergie
Les six changements d’état et leur écriture symbolique ; le modèle microscopique et la différence entre fusion et dissolution ; transformations endothermiques et exothermiques, sens du transfert thermique et palier ; énergie massique de changement d’état et Q = m × L ; masse, durée et mesure d’une énergie de changement d’état.
À propos de cette page
Les changements d’état et leur écriture symbolique
Au collège, tu as vu les trois états de la matière, le nom des changements d’état et le palier d’un corps pur (Changements d’état : température, masse et volume). En seconde, on les écrit avec des symboles, on les explique à l’échelle des entités et on calcule l’énergie qu’ils mettent en jeu.
Transformation physique. Lors d’un changement d’état, l’espèce chimique reste la même : seul son état physique change (solide, liquide ou gaz). Un changement d’état est une transformation physique.
| Passage | Nom du changement d’état |
|---|---|
| solide → liquide | fusion |
| liquide → solide | solidification |
| liquide → gaz | vaporisation (ébullition dans tout le liquide, ou évaporation à sa surface) |
| gaz → liquide | liquéfaction |
| solide → gaz | sublimation |
| gaz → solide | condensation (on dit aussi condensation solide) |
Écriture symbolique. On écrit la formule de l’espèce suivie de son état entre parenthèses : (s) pour solide, (ℓ) pour liquide, (g) pour gaz. La même formule figure des deux côtés de la flèche ; seul l’état change. Fusion de la glace : H₂O(s) → H₂O(ℓ).
Dans la vie courante et dans l’environnement, les changements d’état de l’eau sont partout : évaporation des océans, des lacs et du linge, formation des nuages, de la rosée, du givre et de la neige, fonte des glaciers et de la banquise.
Un briquet. Dans le réservoir, le butane C₄H₁₀ est liquide, sous pression. Quand on appuie, il sort et devient gazeux : c’est une vaporisation, C₄H₁₀(ℓ) → C₄H₁₀(g).
Une boule antimite. Le naphtalène C₁₀H₈ d’une ancienne boule antimite rapetisse dans une armoire sans jamais laisser de liquide : il passe directement de l’état solide à l’état gazeux. C’est une sublimation, C₁₀H₈(s) → C₁₀H₈(g).
Réflexe — je repère l’état de départ et l’état d’arrivée de l’espèce, je nomme le changement d’état, puis j’écris la même formule des deux côtés de la flèche, chacune suivie de son état.
Attention — dans la langue courante, la buée est une « condensation » ; en chimie, le passage gaz → liquide est une liquéfaction. Et la vapeur d’eau est invisible : le panache blanc au-dessus d’une casserole d’eau bouillante est fait de fines gouttelettes, déjà liquides.
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Le modèle microscopique d’un changement d’état
Les trois états à l’échelle microscopique (les entités sont des atomes, des molécules ou des ions) :
- solide : entités au contact, liées par des interactions, qui vibrent sur place ; dans un solide cristallin, elles sont rangées de façon régulière. État compact et ordonné ;
- liquide : entités au contact mais en désordre, qui glissent les unes sur les autres ; leurs interactions sont plus faibles. État compact et désordonné ;
- gaz : entités très éloignées les unes des autres (la distance qui les sépare est grande devant leur taille), en désordre et très agitées ; leurs interactions sont presque nulles. État dispersé et désordonné.
Les mêmes entités dans les trois états. Le gaz occupe un volume bien plus grand : seules quelques entités entrent dans le cadre.
Pendant un changement d’état, les entités ne sont ni cassées ni créées : leur nature et leur nombre ne changent pas. Seules leur organisation, leurs distances et leurs interactions changent. Donc l’espèce chimique est conservée et la masse se conserve ; le volume, lui, change.
Fusion ou dissolution ? Une fusion ne concerne qu’un seul corps (une espèce chimique ou un mélange), qui passe seul de l’état solide à l’état liquide. Une dissolution disperse les entités d’un soluté entre les molécules d’un solvant : on obtient une solution, c’est-à-dire un mélange. Le soluté dissous n’est pas devenu liquide : ses entités sont séparées les unes des autres et entourées de molécules de solvant.
Une flaque qui s’évapore. À la surface du liquide, des molécules H₂O, au contact les unes des autres, s’échappent une à une et se dispersent dans l’air. Ce sont toujours des molécules H₂O : la flaque ne « disparaît » pas, son eau passe dans l’air à l’état de vapeur.
Le chlorure de sodium, de deux façons. Au laboratoire, 5 g de chlorure de sodium agités dans 100 mL d’eau se dissolvent : leurs ions se dispersent entre les molécules d’eau, on obtient une solution. Chauffé seul dans un creuset au-delà de 801 °C, le chlorure de sodium fond : on obtient du chlorure de sodium liquide, sans eau.
Réflexe — pour décrire un changement d’état à l’échelle microscopique, je compare la distance entre les entités, leur ordre ou désordre et leur agitation, et j’écris que les entités restent les mêmes.
Attention — le volume n’est pas conservé : il augmente énormément lors d’une vaporisation. Exception à connaître : l’eau occupe plus de place à l’état solide qu’à l’état liquide (la glace flotte).
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Transformations endothermiques et exothermiques
Système et milieu extérieur. Le système est l’espèce qui change d’état ; tout le reste (air, récipient, main…) est le milieu extérieur. Un transfert thermique est un échange d’énergie qui se fait spontanément du corps le plus chaud vers le plus froid.
Transformation endothermique : le système reçoit de l’énergie ; le transfert thermique va du milieu extérieur vers le système. Il faut de l’énergie pour éloigner les entités et affaiblir leurs interactions : fusion, vaporisation et sublimation sont endothermiques. Le milieu extérieur, qui cède cette énergie, se refroidit.
Transformation exothermique : le système cède de l’énergie ; le transfert thermique va du système vers le milieu extérieur. Solidification, liquéfaction et condensation sont exothermiques. Le milieu extérieur, qui reçoit cette énergie, se réchauffe.
Le palier. Sous pression constante, un corps pur change d’état à température constante : l’énergie reçue ou cédée sert à modifier l’organisation des entités et leurs interactions, pas leur agitation. La courbe θ = f(t) présente un palier tant que les deux états coexistent.
Refroidissement d’un échantillon d’eau pure : pendant le palier à 0 °C, elle se solidifie et cède de l’énergie au milieu extérieur, sans que sa température baisse.
Le réfrigérateur. Un fluide circule dans des tuyaux. À l’intérieur de l’appareil (évaporateur), il se vaporise : transformation endothermique, il prélève de l’énergie aux aliments et à l’air intérieur, qui se refroidissent. À l’arrière (condenseur), il se liquéfie : transformation exothermique, il cède de l’énergie à l’air de la cuisine. C’est pourquoi la grille arrière est chaude.
Les cyclones. L’eau chaude des océans tropicaux s’évapore en recevant de l’énergie. En altitude, cette vapeur se liquéfie dans les nuages et cède cette énergie à l’atmosphère : c’est elle qui entretient les vents du cyclone.
Réflexe — je nomme le changement d’état ; le système est l’espèce qui change d’état. Vers un état plus dispersé (solide → liquide → gaz) : endothermique, elle reçoit ; dans l’autre sens : exothermique, elle cède. Puis je dis qui reçoit et qui cède l’énergie.
Attention — « exothermique » ne veut pas dire « chaud » : de l’eau qui gèle à 0 °C cède de l’énergie. Et une fusion n’a pas besoin d’une flamme : l’air d’une pièce suffit à céder de l’énergie à un glaçon.
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L’énergie massique de changement d’état : Q = m × L
Énergie massique de changement d’état L : énergie reçue par 1 kg d’une espèce qui change d’état, à température constante. Elle s’exprime en J·kg⁻¹ (souvent en kJ·kg⁻¹ dans les tables) et dépend de l’espèce et du changement d’état.
Énergie transférée lors du changement d’état d’une masse m :
Q = m × L Q en joules (J), m en kilogrammes (kg), L en J·kg⁻¹.
Le signe. Q est l’énergie reçue par le système. Transformation endothermique : L > 0 et Q > 0 (énergie reçue). Transformation exothermique : L < 0 et Q < 0 (énergie cédée). Les tables donnent Lfus, Lvap et Lsub, positives ; pour le changement inverse, on prend l’opposé : Lsol = −Lfus, Lliq = −Lvap, Lcond = −Lsub.
L’énergie est proportionnelle à la masse : deux fois plus de matière qui change d’état échange deux fois plus d’énergie.
| Espèce | Lfus (J·kg⁻¹) | Lvap (J·kg⁻¹) |
|---|---|---|
| eau | 3,34 × 10⁵ | 2,26 × 10⁶ (à 100 °C) |
| éthanol | 1,08 × 10⁵ | 8,4 × 10⁵ (à 78 °C) |
| aluminium | 3,97 × 10⁵ | — |
Faire fondre 0,420 kg de glace à 0 °C. Fusion, endothermique : Lfus = 3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹. Q = 0,420 × 3,34 × 10⁵ ≈ 1,40 × 10⁵ J. Q > 0 : la glace reçoit cette énergie.
28,0 g de vapeur d’eau se liquéfient sur une paroi froide. m = 28,0 g = 0,0280 kg ; liquéfaction, exothermique : Lliq = −2,26 × 10⁶ J·kg⁻¹. Q = 0,0280 × (−2,26 × 10⁶) ≈ −6,33 × 10⁴ J. Q < 0 : la vapeur cède cette énergie à la paroi.
Réflexe — je nomme le changement d’état, je choisis L avec son signe, je convertis la masse en kilogrammes, je calcule Q = m × L, puis je conclus par une phrase : énergie reçue ou cédée, et par qui.
Attention — la masse doit être en kilogrammes (150 g = 0,150 kg) : garder des grammes donne un résultat 1 000 fois trop grand. Et un Q négatif n’est pas une erreur : il signale une énergie cédée.
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Exploiter Q = m × L : masse, durée, mesure
Retrouver une masse ou une énergie massique. De Q = m × L, on tire m = Q ÷ L et L = Q ÷ m (mêmes unités : J, kg, J·kg⁻¹).
Énergie fournie par un appareil. Un appareil de puissance P (en watts) qui fonctionne pendant une durée Δt (en secondes) transfère l’énergie E = P × Δt (relation vue en 3e) ; inversement, P = E ÷ Δt est la puissance moyenne d’un transfert d’énergie E pendant Δt. Si toute l’énergie fournie sert au changement d’état : P × Δt = m × L, d’où par exemple Δt = m × L ÷ P.
Mesurer une énergie de changement d’état. On fournit une énergie connue (appareil de puissance connue, pendant une durée mesurée) à une espèce qui change d’état, on mesure la masse qui a changé d’état, puis on calcule L = E ÷ m. Quand l’espèce est plus chaude que la pièce (une ébullition, par exemple), une partie de l’énergie fournie chauffe le récipient et l’air (pertes) : la valeur obtenue est un peu trop grande. On isole le récipient pour limiter les échanges avec la pièce.
Applications. Ces calculs servent à dimensionner un réfrigérateur ou un congélateur, à estimer le refroidissement du corps par la sueur, l’énergie stockée dans une chaufferette ou la durée d’une ébullition.
Mesurer Lvap de l’eau avec une bouilloire. Une bouilloire de puissance 2 400 W, posée sur une balance, contient de l’eau qui bout. En 90 s d’ébullition, la masse affichée diminue de 94 g. Énergie fournie : E = 2 400 × 90 = 216 000 J. Masse vaporisée : m = 0,094 kg. Donc L ≈ 216 000 ÷ 0,094 ≈ 2,30 × 10⁶ J·kg⁻¹, proche de la valeur des tables (2,26 × 10⁶ J·kg⁻¹). Écart relatif = (valeur mesurée − valeur de référence) ÷ valeur de référence : (2,30 × 10⁶ − 2,26 × 10⁶) ÷ 2,26 × 10⁶ ≈ 0,02, soit environ 2 % ; la valeur trop grande s’explique par les pertes.
Réflexe — j’écris l’égalité des énergies (énergie fournie = énergie reçue par l’espèce qui change d’état), j’isole l’inconnue, puis je calcule avec la durée en secondes et la masse en kilogrammes.
Attention — les minutes se convertissent en secondes (2 min 30 s = 150 s) avant d’utiliser E = P × Δt, et la masse « perdue » par la bouilloire est celle de l’eau partie en vapeur, pas celle de l’eau restante.
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Pour aller plus loin
Identifier une espèce par ses températures de changement d’état. Mesurer une température de fusion ou d’ébullition et la comparer à des valeurs de référence, ou distinguer un corps pur (palier net) d’un mélange : chapitre Espèces chimiques : corps purs et mélanges.
Transformations chimiques endothermiques et exothermiques. Une combustion ou la réaction d’un acide avec une base échangent aussi de l’énergie, mais des espèces nouvelles apparaissent : chapitre Transformations chimiques : équation et réactif limitant. Les ordres de grandeur des énergies physiques, chimiques et nucléaires sont comparés dans le chapitre Transformations nucléaires.
- Changement d’état = transformation physique : l’espèce est la même avant et après. Fusion, solidification, vaporisation, liquéfaction (gaz → liquide), sublimation, condensation (gaz → solide).
- Écriture symbolique : la même formule des deux côtés, avec l’état (s), (ℓ) ou (g) : H₂O(s) → H₂O(ℓ).
- Microscopique : solide compact et ordonné, liquide compact et désordonné, gaz dispersé et désordonné. Les entités ne changent pas : la masse se conserve, le volume change. Fusion (un seul corps, chauffé seul) ≠ dissolution (un soluté dispersé dans un solvant).
- Fusion, vaporisation, sublimation : endothermiques, le système reçoit de l’énergie du milieu extérieur. Solidification, liquéfaction, condensation : exothermiques, il en cède.
- Q = m × L (J, kg, J·kg⁻¹) ; L > 0 si endothermique, L < 0 si exothermique (Lsol = −Lfus). Avec un appareil : P × Δt = m × L.
Questions fréquentes
Comment s’appellent les six changements d’état ?
Solide → liquide : fusion ; liquide → solide : solidification ; liquide → gaz : vaporisation ; gaz → liquide : liquéfaction ; solide → gaz : sublimation ; gaz → solide : condensation. On les écrit avec la même formule des deux côtés et l’état entre parenthèses, par exemple H₂O(ℓ) → H₂O(g) pour la vaporisation de l’eau.
Que se passe-t-il pour les molécules pendant un changement d’état ?
Elles restent les mêmes : ni cassées ni créées. Seules leur organisation, leurs distances et leurs interactions changent (compact et ordonné dans un solide, compact et désordonné dans un liquide, dispersé dans un gaz). C’est pourquoi la masse se conserve alors que le volume change.
Quels changements d’état sont endothermiques et lesquels sont exothermiques ?
Fusion, vaporisation et sublimation sont endothermiques : l’espèce reçoit de l’énergie du milieu extérieur, qui se refroidit. Solidification, liquéfaction et condensation sont exothermiques : l’espèce cède de l’énergie au milieu extérieur, qui se réchauffe.
Comment calculer l’énergie d’un changement d’état ?
Avec Q = m × L : Q en joules, m en kilogrammes, L (énergie massique de changement d’état) en J·kg⁻¹. L est positive pour une transformation endothermique et négative pour une transformation exothermique : L de solidification = −L de fusion. Un Q positif est une énergie reçue, un Q négatif une énergie cédée.
Comment mesurer une énergie massique de changement d’état ?
On fournit une énergie connue E = P × Δt (appareil de puissance P pendant une durée Δt en secondes) à une espèce à sa température de changement d’état, on mesure la masse m qui change d’état, puis on calcule L = E ÷ m. Si l’espèce est plus chaude que la pièce (ébullition), les pertes vers l’air et le récipient donnent une valeur un peu trop grande.
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