Chapitre 5 : Changements d’état

Dans le chapitre précédent, nous avons vu que la matière se présentait sous trois principaux état :

  • L’état solide
  • L’état liquide
  • L’état gazeux

Nous avons également vu que ces états possédaient des caractéristiques qui permettaient de les différencier.

Cependant il est possible de faire passer une matière d’un état à un autre, après tout il suffit de regarder un glaçon fondre !


Les noms des changements d’état

Avant d’étudier un peu plus en détail la manière dont on peut passer de l’un à l’autre, arrêtons nous d’abord sur la manière de les nommer.

Il existe quatre changements majeurs : 

  • La solidification, passage de l’état liquide à solide
  • La fusion, passage inverse
  • La liquéfaction (ou condensation liquide), passage de l’état gazeux à liquide
  • La vaporisation, passage inverse
Les quatre principaux états de la matière

A ces quatre changements on peut citer :

  • La condensation solide, passage de l’état gazeux à solide
  • La sublimation, passage inverse

Vous remarquerez que j’ai nommé le passage de l’état liquide à gazeux « vaporisation » et non comme on l’entend parfois « ébullition » ou « évaporation ».

En soi ces deux termes ne sont pas faux, mais il ne représentent pas une vision globale du changement d’état. En réalité une vaporisation peut être une évaporation, phénomène se déroulant en surface lentement (citons le linge qui sèche), ou une ébullition, phénomène se déroulant au sein d’un volume rapidement (citons de l’eau qui bout).  


Changer d’état, comment ?

Vous l’aurez également remarqué, sur le dessin précédent j’ai séparé les changements d’état en deux parties : on chauffe la matière, on refroidit la matière.

C’est en effet le moyen le plus simple (en tout cas pour nous particuliers) de passer d’un état à l’autre. Le glaçon fond parce qu’il se réchauffe, l’eau gèle parce qu’elle refroidit, etc…

Mais ce n’est pas le seul moyen cependant. Il existe un deuxième paramètre permettant le changement. Ce paramètre c’est la pression atmosphérique (force pesante qu’exerce l’air sur la surface des corps).

En jouant sur l’un ou l’autre (voir les deux à la fois) on peut passer d’un état à l’autre plus ou moins rapidement.

On peut observer cela à l’aide d’un diagramme de phase qui permet de savoir sous quel état se trouve la matière en fonction de sa température et de la pression atmosphérique qui s’exerce sur elle. 

Diagramme de phase de l’eau

Sur ce diagramme de phase la température est donnée en degrés Celsius et la pression en atmosphère (atm). La pression atmosphérique, standard (au niveau de la mer) est de 1 atm.

 
Comment lire le diagramme

Les trois lignes correspondent au changements d’état. On remarque alors que pour 1 atm (c’est à dire la pression que l’on connait en plaine) la température pour passer de l’état solide à liquide est 0 °C et celle pour passer de l’état liquide à gazeux est 100 °C. Bingo ! On retrouve les valeurs que l’on connait depuis l’enfance, ouf !

Mais on remarque par exemple que pour une pression moins importante, la courbe correspondant au passage Liquide-Gaz, se fera pour une température plus basse.

Si vous voulez en savoir plus je vous invite à lire l’article que j’ai écris sur la cuisson en altitude.

Quelques petites précisions :
  • Le point triple correspond au couple Température/Pression pour lequel on se retrouve en présence des trois états. Ainsi de l’eau portée à la température de 0,01 °C et sous une pression de 0,0006 atm se trouvera sous les trois états solide, liquide et gazeux !
  • Le point critique correspond au couple Température/Pression pour lequel l’eau ne se trouvera ni tout à fait à l’état liquide ni tout à fait à l’état gazeux ! On obtient un fluide supercritique.

Evolution de la température au cours d’un changement d’état :

Supposons que nous travaillons à pression constante et que celle-ci vaut un atm. Soit la situation dans nos cuisine (hormis pour nos amis montagnards)

Regardons comment évolue la température lorsqu’on réchauffe un glaçon jusqu’à le transformer totalement en vapeur :

Evolution de la température au cours du temps lorsqu’on chauffe un glaçon sous la pression atmosphérique standard

Au départ l’eau se trouve uniquement à l’état solide. C’est logique puisque nous nous trouvons avec un glaçon.

Nous atteignons alors la température de 0°C, la fusion démarre…et la température cesse d’évoluer. 

Un changement d’état se fait donc à température constante !

C’est ce que l’on appelle le palier de température.

Tant qu’il restera un cristal de glace, la température n’évoluera pas. Elle n’augmentera qu’au moment où toute l’eau se sera transformée en liquide jusqu’à atteindre 100 °C … la température de vaporisation de l’eau pure !

A ce stade, rebelote, la température cesse d’évoluer et ne réaugmentera que lorsque la dernière goutte d’eau se sera vaporisée.

Soit dit en passant, inutile donc d’attendre cinq minutes après l’ébullition de l’eau pour mettre vos pâtes. Elles ne cuiront pas plus vite que 10 secondes après l’ébullition. Sauf si vous avez saler l’eau des pâtes !


Corps purs, mélanges et changement d’état :

Tout ce que nous venons de dire jusqu’ici n’est valable que lorsqu’on parle de corps purs. 

Pour des mélanges la situation est différente. Il n’y aura pas de palier de température et la température évoluera constamment.

En ce qui concerne l’eau d’ailleurs, c’est une des raisons pour laquelle on sale les routes en hiver. Le mélange eau+sel a une température de solidification plus basse que l’eau pure. Il faudra donc atteindre une température extérieure bien plus basse que 0 °C pour que l’eau se mette à geler.


Conclusion :

  • Les quatre changements d’états principaux sont :
    • La fusion et la solidification
    • La vaporisation et la liquéfaction
  • L’ébullition et l’évaporation sont des formes possibles de la vaporisation.
  • Les changements d’états se font en modifiant la température et/ou la pression
  • Les changements d’états se font à température constante dans le cas des corps purs. Ce n’est pas le cas pour des mélanges.