Habitat Chapitre 3 : Changement d’état et transfert thermique
I. Les états physiques de la matière 1. Description microscopique
Il existe trois états physiques différents : solide, liquide et gaz.
2. Du microscopique au macroscopique
Les liaisons entre les molécules sont plus fortes que l’agitation : état solide, compact et ordonnée.
Les liaisons sont un peu moins fortes que l’agitation : état liquide, compact et désordonné.
Les liaisons sont négligeables par rapport à l’agitation : état gazeux, dispersé et désordonné.
Exemple de la molécule d’eau : liaison hydrogène
Le pôle négatif (atome d’oxygène) d’une molécule est attiré par les pôles positifs (atomes d’hydrogène) des autres molécules.
Le nombre de ces liaisons et leur durée de vie permet de comprendre la différence entre les trois états de l’eau au niveau microscopique :
II. Changement d’état
1. Les différents changements d'état
Définition : Un changement d'état physique correspond au passage d'un état physique à un autre état physique. Il se fait à température constante.
2. Diagramme d’état (P,T)
Le diagramme d'état (P,T) d'un corps pur permet de déterminer la phase dans laquelle se trouve ce corps pur pour une pression et une température donnée.
A la température de changement d'état physique, les deux états physiques coexistent.
Point triple T : l’eau existe sous les 3 formes à la fois.
Point critique C : point limite au-delà duquel il n’y a plus de changement d’état (liq)–(vap), on parle d'état fluide.
3. L’ébullition
L'ébullition désigne la transformation d'eau liquide en bulle de vapeur quand on la chauffe.
Lorsque le liquide et la vapeur coexiste, la vapeur est à une pression appelée pression de vapeur saturante.
La température d’ébullition se lit sur le diagramme pour une valeur de pression donnée.
4. L’évaporation
L’évaporation est due à l’agitation et a lieu à toute température. Elle est favorisée par : - une grande surface de contact avec l’air ;
- la ventilation de la surface libre ; - la température du liquide.
5. Hygrométrie de l’air
L’hygrométrie caractérise l’humidité de l’air. Elle dépend de la quantité d’eau gazeuse dans l’air humide. Le degré d’hygrométrie se mesure avec un hygromètre.
HR : degré d’hygrométrie en pourcentage
Pvap : pression de la vapeur d’eau dans l’air en pascal (Pa)
Pvs : pression de vapeur saturante à la température T en pascal (Pa)
III. Enthalpies de changement d’état 1. Définition
L’enthalpie de changement d’état, notée L, est l’énergie qu’il faut fournir à 1 kg d’un corps pur, à sa température de changement d’état, pour qu’il change d’état.
GAZ SOLIDE
LIQUIDE
Courbe de sublimation
Courbe de vaporisation Courbe de
fusion
T
C
Exemple : enthalpie de fusion de l’eau : LF = 334∙103 J∙kg-1 enthalpie de vaporisation de l’eau : LV = 2,26∙106 J∙kg-1
Lors de son changement d’état, la masse m d’un corps pur échange avec l’extérieur l’énergie :
ΔE : énergie échangée en joule (J) m : masse du corps en kilogramme (kg)
L : enthalpie de changement d’état en joule par kilogramme (J∙kg-1)
2. Transfert thermique et interprétation microscopique
Pour observer un changement d'état vers une phase moins ordonnée (fusion, vaporisation), le système doit gagner de l’énergie, ΔE est positive, donc L aussi. La transformation est dite endothermique.
Pour observer un changement d'état vers une phase plus ordonnée (solidification, condensation), le système doit perdre de l’énergie, ΔE est négative, donc L aussi. La transformation est dite exothermique.
Remarque : On a LVaporisation = -LLiquéfaction.
Exemple de la molécule d’eau : liaison hydrogène
Le pôle négatif (atome d’oxygène) d’une molécule est attiré par les pôles positifs (atomes d’hydrogène) des autres molécules.
Le nombre de ces liaisons et leur durée de vie permet de comprendre la différence entre les trois états de l’eau au niveau microscopique :
