Un glaçon qui fond dans un verre, une flaque qui disparaît après la pluie, des gouttes sur le couvercle d’une casserole : ces phénomènes sont tous des changements d’état. Que devient la matière quand elle change d’état ? Sa masse change-t-elle ? Et pourquoi un thermomètre plongé dans de l’eau qui bout reste-t-il bloqué à 100 °C ? Voyons cela.
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Les six changements d’état
Une même substance peut passer d’un état à un autre quand on la chauffe ou qu’on la refroidit. Chaque passage porte un nom précis.
| Changement | De → vers | Exemple |
|---|---|---|
| Fusion | solide → liquide | un glaçon fond |
| Solidification | liquide → solide | l’eau gèle dans un congélateur |
| Vaporisation | liquide → gaz | l’eau bout, le linge sèche |
| Liquéfaction | gaz → liquide | la buée sur une vitre froide |
| Sublimation | solide → gaz | la neige carbonique disparaît |
| Condensation solide | gaz → solide | le givre sur une vitre |
La vaporisation peut se faire de deux façons : par ébullition (rapide, avec des bulles dans tout le liquide, à une température précise) ou par évaporation (lente, seulement à la surface, à n’importe quelle température).
La température pendant un changement d’état
Chauffons de la glace à –10 °C et relevons la température au cours du temps. On observe trois phases : la glace se réchauffe, puis la température reste à 0 °C tant qu’il reste de la glace qui fond ; l’eau liquide se réchauffe ensuite jusqu’à 100 °C, où elle reste constante pendant toute l’ébullition.
Pour un corps pur, la température reste constante pendant tout le changement d’état, sous une pression donnée. À la pression atmosphérique normale, l’eau fond (et gèle) à 0 °C et bout à 100 °C.
Pendant le palier, l’énergie apportée sert à changer l’état, non à augmenter la température. À l’inverse, quand l’eau gèle, elle libère de l’énergie et sa température reste à 0 °C tant qu’il reste du liquide. Un mélange (eau salée, par exemple) ne présente pas de palier net : sa température évolue pendant le changement d’état.
Ce n’est pas « le froid » qui entre dans l’eau pour la geler : c’est l’énergie qui sort. Et l’eau qui bout ne devient pas plus chaude que 100 °C quand on chauffe plus fort : elle bout seulement plus vite.
La température d’ébullition dépend de la pression : en haute montagne, où la pression est plus faible, l’eau bout à une température inférieure à 100 °C (environ 85 °C au sommet du mont Blanc).
La conservation de la masse
Quand une substance change d’état, ses particules ne disparaissent pas : elles se réorganisent. Le nombre de particules reste le même, donc la masse se conserve.
Au cours d’un changement d’état, la masse ne change pas. Le volume, lui, peut changer, et la masse volumique aussi.
On fait fondre 300 g de glace : on obtient 300 g d’eau liquide. Si on fait bouillir 2,0 L d’eau (masse 2,0 kg), la vapeur formée a une masse de 2,0 kg, même si elle est invisible et occupe un volume bien plus grand.
Et le volume ?
L’eau est presque unique : elle se dilate en gelant. La glace a une masse volumique de 0,92 g/cm3, inférieure à celle de l’eau liquide (1,0 g/cm3). C’est pourquoi les glaçons flottent et pourquoi une bouteille pleine d’eau, fermée et placée au congélateur, risque d’éclater.
Une masse m = 500 g d’eau gèle. Le volume de glace est V = m ÷ ρ = 500 ÷ 0,92 ≈ 543 cm3, alors que l’eau liquide occupait 500 cm3 : le volume a augmenté d’environ 9 %.
Pour la plupart des autres corps, le liquide est moins dense que le solide, et le volume diminue en solidifiant. Dans tous les cas, quand un gaz se liquéfie, le volume diminue énormément car les particules se rapprochent.
Interpréter avec le modèle particulaire
Dans la fusion, les particules du solide, qui vibraient à leur place, s’agitent assez pour quitter leurs positions régulières et glisser les unes sur les autres. Dans la vaporisation, elles s’éloignent complètement et se déplacent librement. La liquéfaction et la solidification sont les phénomènes inverses : les particules se rapprochent puis se rangent. Aucune particule n’est créée ni détruite, d’où la conservation de la masse.
Dans « solidification », pense à « devenir solide » ; dans « liquéfaction », à « devenir liquide » ; dans « vaporisation », à « devenir vapeur ». Pour la fusion et l’ébullition : palier = changement d’état en cours.
L’essentiel à retenir
- Les six changements d’état : fusion, solidification, vaporisation, liquéfaction, sublimation, condensation solide.
- Pour un corps pur, la température reste constante pendant le changement d’état ; pour l’eau : 0 °C et 100 °C à la pression normale.
- La masse se conserve au cours d’un changement d’état.
- Le volume peut varier : l’eau gèle en augmentant de volume (environ 9 %).
- L’ébullition est rapide et se produit dans tout le liquide ; l’évaporation est lente et se produit à la surface.