1. Introduction.
La matière peut se trouver sous trois états physiques : solide , liquide et gazeux.
Un corps chimique comme l'eau existe naturellement dans ces trois états, d'autres n'existent naturellement que dans un seul mais on peut avoir besoin de les faire changer d'état ( comme l'étain qui se trouve à l'état solide mais que l'on fait devenir liquide pour réaliser une soudure ).
L'eau dans tous ses états.
L'eau est :
Remarque : on pense souvent que l'eau dans un nuage est à l'état gazeux : ce n'est pas le cas et il suffit pour s'en persuader de se demander d'où proviennent la pluie, la neige et la grêle.
2. Etude des changements d'états de la matière dans le cas d'un corps pur
2.1 Passage de l'état liquide à l'état solide : la solidification.
a) Expérience : On verse le corps liquide dans un récipient puis on place l'ensemble dans un mélange réfrigérant ( mélange de glace pilée et de sel qui permet de garder une température très basse pendant la durée de l'expérience). On relève à intervalles réguliers la température à l'aide d'un thermomètre.
b) Observation : La température descend progressivement, se stabilise pendant quelques minutes puis continue à baisser.
c) Conclusion :
- Le passage de l'état liquide à l'état solide se nomme la solidification.
- Ce changement d'état s'effectue à température constante : pour l'eau pure cette température est de 0 °C mais elle est de +6°C pour un corps pur comme le cyclohexane et de -117 °C pour l'éthanol (alcool pur que l'on trouve dans les boissons alcoolisées).
- La température reste constante pendant toute la transformation du corps : dès que celui-ci est devenu solide, la température diminue de nouveau.
- Si on trace le graphe de la température en fonction du temps on obtient un palier de température (une droite parallèle à l'axe des temps) au moment du changement d'état : sur ce palier le corps existe dans les deux états (liquide et solide).
2.2 Passage de l'état solide à l'état liquide : la fusion.
a) Expérience : On laisse la glace formée dans la première expérience fondre.
b) Observation : La température augmente progressivement, se stabilise puis augmente de nouveau. Au moment de la stabilisation, le corps solide se transforme en liquide.
c) Conclusion :
- Le passage de l'état solide à l'état liquide se nomme la fusion.
- Ce changement d'état s'effectue à température constante et à la même température que la solidification : à 0 °C pour l'eau, à + 6 °C pour le cyclohexane et à - 117 °C pour l'éthanol.
- La température ne varie pas tant que la transformation n'est pas achevée: comme pour la solidification, on obtient un palier sur le graphique.
2.3 Passage de l'état liquide à l'état de gaz : la vaporisation.
a) Expérience : On place le corps ( pour des raisons de sécurité on prend de l'eau ) dans un récipient puis on chauffe l'ensemble ( il est recommandé de choisir un chauffe ballon ou un chauffage à flux d'air pour avoir une montée progressive en température ).
b) Observation : La température augmente progressivement puis se stabilise. Le niveau du liquide dans le récipient baisse.On peut remarquer au dessus du récipient un "nuage" que l'on appelle à tord "fumée".Ce sont en réalité de fines gouttelettes d'eau liquide qui proviennent de la condensation de la vapeur d'eau au dessus du récipient.
c) Conclusion :
- Le passage de l'état liquide à l'état de gaz se nomme la vaporisation.
- Ce changement d'état se fait à température constante : 100 °C pour l'eau, 78 °C pour l'éthanol et 80 °C pour le cyclohexane pour une pression atmosphérique de 1015 hPa (pression moyenne sur Terre)
- L'évaporation est la même transformation mais à température ambiante ( une flaque d'eau disparait car l'eau s'évapore : l'eau liquide se transforme en vapeur d'eau ).
- La transformation inverse se nomme condensation ou liquéfaction : elle s'effectue toujours à la même température que la vaporisation.
- Le "nuage" au dessus du récipient est la vapeur d'eau qui s'en échappe et qui, en contact avec l'air froid, se condense et se retransforme en eau liquide. Ce phénomène est visible au dessus des réfrigérants des centrales nucléaires indispensables pour refroidir les tuyauteries où circule la vapeur d'eau.
CONCLUSION
La matière peut parfois passer d'un état à l'autre : dans le cas d'un corps pur, ce passage s'effectue à température constante.
Chaque corps pur à ses propres températures de changements d'états : Il n'en existe pas deux dont les températures de changements d'états soient identiques.
Mais qu'en est-il des mélanges ?
d) Remarque : La température de changement d'état d'un corps pur est-elle toujours constante ? Dans ce cas, pourquoi des aliments cuisent-ils plus vite dans une cocotte minute plutôt que dans une simple casserole ? Pourquoi ne peut-on obtenir de l'eau liquide à 100 °C en haute altitude ?
Le dispositif de la cloche à vide permet de simuler une altitude importante : une pompe à vide prélève l'air qui se trouve sous la cloche, recréant ainsi des conditions proches de la haute altitude. Si l'on place sous cette cloche de l'eau à une température comprise entre 90 °C et 95 °C on constate que l'eau se remet en ébullition dès que l'on diminue la quantité d'air (donc la pression) sous la cloche. L'eau pure peut se transformer en gaz à une température inférieure à 100 °C si la pression et inférieure à la pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer.
La cocotte minute utilise l'effet inverse : en fermant la cocotte, l'eau qui se met à chauffer augmente la pression à l'intérieur de la cocotte. L'eau se transforme en gaz à une température supérieure à 100 °C. Les aliments qui se trouvent dans une eau plus chaude cuisent plus vite.
Test (en animation) sur les changements d'état des corps purs et des mélanges