Les changements d`états

Fiche 4
LES CHANGEMENTS D’ETATS
Agitation thermique et température absolue
Les particules qui constituent les solides ne sont pas immobiles. Elles vibrent
extrêmement rapidement dans toutes les directions autour de leur position d’équilibre. Ce
mouvement désordonné des particules s’appelle l’agitation thermique. Cette agitation
thermique est étroitement liée à la température.
La température est une mesure de l’agitation
thermique moyenne des particules.
On parle d’agitation thermique moyenne car les particules subissent des chocs entre elles
et n’ont donc pas toutes la même énergie.
Plus la température est élevée, plus l’agitation thermique est grande. Ceci signifie que
l’amplitude des oscillations des particules augmente et que le solide se dilate :
Basse température
Haute température
Au contraire, un abaissement de température diminue l’amplitude des oscillations et le
solide se contracte. Il existe un état de vibration minimal dans lequel les particules sont
pratiquement immobiles. Un tel état est atteint à la température de zéro absolu.
Le zéro absolu = la température la plus basse possible.
T = 0 K à Θ = –273,15 °C
La température absolue est exprimée en degrés
Kelvin. La température la plus basse que l’on
puisse imaginer est zéro Kelvin (0 K). C’est
l’état dans lequel l’agitation est minimale. Il est
impossible d’envisager des températures
inférieures à 0 K.
La relation suivante lie les échelles Kelvin et
Celsius :
T = Θ + 273,15
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La chaleur
Lorsqu'on met en contact deux corps dont les températures sont différentes, la
température du corps chaud diminue alors que celle du corps froid augmente.
En d'autres termes, l'énergie cinétique des particules du corps chaud diminue alors que
celle des particules du corps froid augmente.
Il y a donc transfert d’énergie.
On appelle chaleur ou énergie calorifique, l'énergie cinétique transférée des particules
d'un corps chaud aux particules d'un corps plus froid.
L’unité de la chaleur est le joule (J).
Lorsqu'un corps échange de la chaleur, soit il perd de l’énergie, soit il gagne de l’énergie.
Lorsqu'un corps de masse m subit une variation de température T, la quantité de chaleur
Q absorbée ou cédée par le corps est donné par la relation :
Q = m ·c · ΔT
où c est la chaleur massique du corps, c'est-à-dire la quantité
de chaleur nécessaire pour élever de 1 degré la température
d'un kilogramme de ce corps.
Si un apport de chaleur Q ne produit aucun changement de température, une masse m de
la substance subit un changement d'état. La relation devient :
Q=m·L
Où L est la chaleur latente du changement d'état (Lf pour
chaleur latente de fusion et Lv pour chaleur latente de
vaporisation).
Remarque : les grandeurs des chaleurs de fusion et de solidification sont égales, de
même que les grandeurs des chaleurs de vaporisation et de liquéfaction.
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Les changements d’états
Les changements d’états
Sublimation
Sublimation
inverse
Condensation
Vaporisation
Fusion
Solidification
La fusion :
Lorsqu’on chauffe un solide, les particules acquièrent de l’énergie et l’amplitude des
oscillations dues à l’agitation thermique augmente. A une certaine température, l’amplitude
des vibrations est telle que les forces réticulaires sont brisées, ce qui provoque une
dislocation progressive de la structure cristalline. Le solide commence à fondre et à se
transformer en liquide. Un nouvel apport de chaleur (donc d’énergie) ne contribue pas à
élever la température du cristal, mais à briser les forces réticulaires.
Le phénomène inverse s’appelle la solidification. Le refroidissement, donc l’élimination
d’énergie, va permettre l’apparition des forces réticulaires et une apparition progressive de
la structure cristalline.
L’évaporation :
Dans un liquide (ou un gaz), toutes les particules ne se déplacent pas avec la même
vitesse. Certaines particules ont des vitesses très faibles, alors que d’autres ont des
vitesses beaucoup plus élevées. La température de la solution ne donne une information
que sur la moyenne des vitesses.
Parmi toutes les particules, il s’en trouvera toujours
un certain nombre qui seront très proches de la
surface du liquide et qui auront une vitesse (donc
une énergie) suffisamment grande pour vaincre les
forces de cohésion et s’échapper du liquide. Ces
particules se trouvent alors sous forme de gaz.
C’est le phénomène d’évaporation des liquides, et il
est d’autant plus important que la température est
élevée. En effet, l’agitation thermique sera dans ce
cas plus grande, si bien que le nombre des
particules possédant suffisamment d’énergie pour
s’échapper du liquide sera également plus élevé.
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Les changements d’états
Ce phénomène d’évaporation explique pourquoi le linge mouillé peut sécher alors que la
température est inférieure à celle de l’ébullition (100 °C pour l’eau).
Remarque : Lors de l’évaporation, les particules les plus rapides s’échappent du liquide si
bien que la vitesse moyenne des particules restantes sera plus faible. Ceci se traduit par
un abaissement de la température du liquide.
La vaporisation :
Lorsqu’on augmente la température d’un liquide, le
nombre des particules qui le quittent par
évaporation augmente constamment. A une
certaine température, l’apport d’énergie est
suffisant pour rompre les forces de cohésion qui
existent entre les particules. Il y a alors formation
de bulles de gaz à l’intérieur du liquide. Ces bulles
vont grossir et crever la surface du liquide : on
appelle ce phénomène l’ébullition ou vaporisation.
Ceci a lieu à une température bien déterminée. Un
nouvel apport d’énergie ne sert pas à élever la
température du liquide, mais à rompre les forces
de cohésion.
Remarque : La température de vaporisation (ou point d’ébullition) ne dépend pas
seulement de la nature du liquide, mais également de la pression. Par exemple, la
température de vaporisation de l’eau est égale à 100 °C à une pression atmosphérique de
1,01 bar (ou 1 atm), pression habituelle au niveau de la mer, alors que cette température
est d’environ 98 °C aux pressions que l’on trouve généralement dans nos régions.
Le phénomène inverse s’appelle la condensation. Le refroidissement, donc l’élimination
d’énergie, va permettre l’apparition des forces de cohésion du liquide.
La sublimation :
Dans un solide, les particules à la surface peuvent également avoir une vitesse suffisante
pour s’échapper en phase gazeuse. Le passage de solide à gaz sans l’étape du liquide
s’appelle la sublimation.
Le phénomène inverse s’appelle la sublimation inverse. Le refroidissement, donc
l’élimination d’énergie, va permettre l’apparition des forces réticulaires du solide, sans
passer par l’étape liquide.
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