Les états de la matière et les changements d'état

Les changements d'état des corps purs
Auteurs : Equipe La main à la pâte(plus d'infos)
Résumé :
Les corps purs peuvent exister sous différents états (solide, liquide et gazeux) selon les conditions de température et de pression. Lorsque la matière passe d’un état à un autre état, on dit qu’il y a changement d’état.
Publication : 28 février 2006

Les corps purs peuvent exister sous différents états (solide, liquide et gazeux) selon les conditions de température et de pression. Lorsque la matière passe d’un état à un autre état, on dit qu’il y a changement d’état.

Passage solide-liquide : fusion

Si le solide est un corps pur (exemple la glace), lorsqu’il passe à l’état liquide, on parle de fusion franche ou plus simplement de fusion.
La caractéristique de la fusion d’un corps pur est qu’elle se produit à une température donnée qui reste constante durant toute la durée du changement d’état. Ainsi si on met des glaçons dans un verre qui se trouve lui-même dans une pièce à température ambiante, on constate que le glaçon fond et que la température du verre contenant le glaçon et l’eau reste autour de 0° tant qu’il existe un petit bout de glaçon.
Remarque :
Beaucoup de produits, comme le beurre et le chocolat, ne sont pas des corps purs et deviennent pâteux avant de devenir liquides. En revanche, un glaçon (corps pur sous forme solide) ne ramollit jamais et passe de l’état solide à l’état liquide sans état intermédiaire.
Note : un glaçon fabriqué à partir d’eau du robinet peut-il être considéré comme un corps pur ? La réponse est en général oui car bien souvent l’eau du robinet comprend 350mg/litre d’impuretés, ce qui peut être considéré comme négligeable.

Passage liquide-solide : solidification

C’est ce qui se passe lorsque l’on met de l’eau dans le freezer du réfrigérateur ou dans un congélateur. Mais là encore lorsque l’eau commence à se solidifier, la température du mélange eau-glace reste constante (très proche de 0°) tant qu’il reste de l’eau liquide. Le glaçon atteindra –18 si le congélateur est à –18°C.
La température de changement d’état (ici 0°) signifie qu’au-dessus de cette température, l’eau est sous forme liquide et qu’en dessous de cette température, elle est sous forme solide

Passage liquide-gaz : vaporisation

Le terme de vaporisation englobe deux phénomènes différents :

- L’ébullition est un phénomène qui concerne la totalité du liquide et qui se produit, pour un corps pur, à une température qui reste constante pendant toute la durée du changement d’état. Ce palier dépend fortement de la pression et donc de l’altitude. Ainsi la température d’ébullition de l’eau est de 100° au niveau de la mer, de 85° en haut du Mont Blanc et de 72° en haut de l’Everest. Au-dessus de cette température d’ébullition, l’eau liquide est sous forme de gaz.
L’évaporation est un phénomène de surface. Entre la température de fusion et celle d’ébullition, le corps pur est en équilibre avec sa vapeur (le même corps à l’état gazeux), la quantité de vapeur par rapport à la quantité d’eau liquide dépendant fortement de la température.
Profitons en pour préciser le vocabulaire utilisé
L’eau sous forme de gaz s’appelle vapeur d’eau : c’est un gaz invisible à ne pas confondre avec la « vapeur que l’on voit » sortir d’un fer à vapeur, par exemple. Dans ce cas, il y a bien de la vapeur invisible qui sort du fer mais qui, compte tenu de la température extérieure, se transforme en de fines gouttelettes d’eau. Ce sont ces gouttelettes que l’on voit.
Le brouillard est constitué de fines gouttelettes d’eau. La buée est constituée de gouttes d’eau qui apparaissent suite à la condensation de la vapeur d’eau sur des parois froides.
En d’autres termes, s’il y a apparition de gouttes d’eau sur une paroi froide cela signifie que l’eau était présente dans l’air sous forme de vapeur d’eau (c’est à dire de gaz invisible).
Il est possible d’étudier les facteurs dont dépendent et ne dépendent pas l’évaporation. Ainsi en gardant la même quantité d’eau et la même température mais en faisant varier le diamètre du récipient, on constate que plus le récipient a un grand diamètre (plus la surface d’eau liquide en contact avec l’air est grande), plus l’évaporation est rapide.
Il en est de même lorsque l’on fait varier la température (en gardant et la même quantité d’eau et les mêmes récipients, c’est à dire la même surface d’eau liquide en contact avec l’air). En revanche, si on met des quantités d’eau différentes dans des récipients identiques (de telle sorte que les surfaces d’eau en contact avec l’air soient les mêmes pour les deux récipients) et que le tout soit à la même température, on constate que l’évaporation se produit de la même façon dans les deux récipients.
Un résultat intéressant est à noter : pour que de l’eau liquide devienne vapeur d’eau, il faut lui fournir de l’énergie (par exemple en chauffant). Donc, pour évaporer, pour faire bouillir, pour passer de l’état liquide à l’état de gaz, il faut fournir de l’énergie. A l’inverse lorsque l’eau passe de l’état de gaz à l’état liquide, de l’énergie est libérée.
C’est ce qui se passe dans un percolateur : quand on chauffe du lait ou du café avec de la vapeur d’eau, que se passe-t-il ? On envoie de la vapeur d’eau dans le lait ou le café. Ce gaz se transforme en liquide et fournit au lait (ou au café) de l’énergie, ce qui augmente sa température.
Problème du vent : il existe, au-dessus de la surface de l’eau liquide, une certaine quantité de vapeur d’eau provenant de l’évaporation, cette quantité dépendant de la température et de la pression. Si par un moyen quelconque on chasse cette vapeur d’eau, il n’y en a plus « assez » au-dessus du liquide. Donc, une certaine quantité de liquide s’évapore pour rétablir une situation dite d’équilibre.
Quand on souffle sur un récipient contenant de l’eau liquide, on éloigne la vapeur d’eau qui se trouve au dessus du liquide. Comme il doit exister à la température considérée un équilibre liquide vapeur, de l’eau liquide va s’évaporer. Il y a donc de l’eau liquide qui se transforme en gaz. Or, l’énergie nécessaire ne peut provenir que de l’eau liquide elle-même qui conduit à une diminution de sa température.
On souffle sur sa soupe pour la refroidir
Du linge mouillé sèche sans soleil, si il y a grand vent
Une personne mouillée qui sort de l’eau a froid s’il y a du vent… alors qu’il y a beaucoup de soleil .
Nous transpirons : quand on a de la fièvre, on transpire, il apparaît de la sueur qui s’évapore et notre température baisse ; la sueur a un rôle apaisant car maintient constante la température de notre corps

Un peu d’histoire :
Citons un extrait du livre de physique de Drion et Fernet (1875) qui appellent vapeur ce que l’on appelle aujourd’hui gaz

« On donne généralement le nom de vapeurs aux fluides aériformes dans lesquels peuvent se transformer les corps liquides ou solides. L'état de vapeur ne diffère pas, en réalité de l'état gazeux…
Le passage d'un corps de l'état liquide à l'état gazeux de quelque manière qu'il opère est désigné par le terme général de vaporisation.
La vaporisation peut se produire sous deux formes différentes :
1) l'ébullition, c'est à dire la production de vapeurs dans toute la masse du liquide, sous forme de bulles qui viennent crever la surface ;
2) l'évaporation ou la production insensible de vapeurs à la surface libre. »

Passage solide-gaz : sublimation

Certains corps passent, sans passer par l’état solide, de l’état solide à l’état gazeux. C’est le cas du naphtalène et du camphre, qui s’évaporent lentement à la température « ordinaire » et passent directement de l’état solide à l’état de gaz.
Autre exemple, il peut arriver qu’au bout de quelques jours de froid vif et sec, des sols verglacés deviennent dégagés, cela signifie que de la glace s’est transformée en gaz.

Passage gaz-solide : condensation

Ici, il y a un problème de vocabulaire : un mot pour deux changements d’états.
En physique, le terme de condensation est utilisé lorsque du gaz se transforme en solide. Pour l’eau, il y a un problème de vocabulaire, car souvent le même terme est utilisé pour deux changements d’états.
La vapeur d’eau se transforme en solide - on voit cela de temps en temps en hiver lorsque de la vapeur d’eau forme du givre sur des objets froids, il s’agit bien de condensation. Mais on parle aussi de condensation lorsque de l’eau sous forme de gaz se transforme en eau liquide.
On dit couramment -y compris les physiciens- que de la vapeur d’eau se condense sur les vitres fraîches, et forme de la buée, c’est à dire des gouttelettes de liquide. En fait, il semblerait que l’on parle couramment de condensation lorsque de la vapeur d’eau se transforme soit en eau liquide, soit en eau solide.

Passage gaz-liquide : liquéfaction

L’eau passe facilement de l’état gazeux à l’état liquide, on en a vu des exemples au paragraphe évaporation.
De façon générale, on peut liquéfier un gaz en augmentant la pression, mais il existe une température -dite critique – au-dessus de laquelle il est impossible de le liquéfier. Pour liquéfier un gaz, il faut l’amener à une température inférieure à cette température critique et augmenter la pression. Par exemple, pour l’azote, la température critique est de –147° C, ce qui signifie que l’on ne pourra avoir de l’azote liquide qu’à des températures inférieures à -147°. En dermatologie, on utilise de l’air liquide pour « retirer » une verrue.

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*fusion franche pour un corps pur
**vaporisation : évaporation et ébullition

Note : Lorsqu’un corps pur change d’état, il subit une variation de volume. Le passage de solide à liquide s’accompagne en général d’une diminution de volume SAUF pour l’eau dont le volume augmente : une bouteille d’eau en plastique pleine d’eau et déposée dans un congélateur éclate, de même que les conduites d’eau mal protégées en extérieur… La masse volumique de l’eau diminue quand elle passe de l’état liquide à l’état solide, c’est pour cela que les icebergs flottent.