Chapitre 12 – Changements d'état et énergie thermique | 2nde Bac Pro (famille bâtiment) | Physique – Chimie | ⏱ 35 min
Dernière mise à jour : 15 août 2026, 17:40
Une bouteille d'eau pleine et fermée est oubliée au congélateur. Une fois l'eau gelée, la bouteille est-elle plutôt : (a) plus petite, (b) identique, ou (c) déformée / gonflée ?
Réponse (c) : la bouteille est déformée, parfois fendue. En gelant, l'eau augmente de volume (d'environ 9 %) : c'est une particularité de l'eau. La glace occupe plus de place que l'eau liquide — c'est aussi pourquoi les glaçons flottent et pourquoi les canalisations éclatent en hiver.
Karim est maçon dans une entreprise de rénovation. Un client se plaint : le muret en béton qui borde sa terrasse s'effrite et se fissure un peu plus à chaque hiver, alors qu'il reste intact le reste de l'année. Karim soupçonne le gel. Il veut comprendre précisément ce qui se passe dans le béton quand il gèle, pour l'expliquer au client et proposer une solution durable.
Le béton (comme la pierre) est un matériau poreux : il est parcouru de minuscules trous, les pores, reliés à la surface. Sous la pluie, l'eau s'infiltre et remplit ces pores. Quand la température descend en dessous de 0 °C (la nuit, en hiver), cette eau gèle. En passant à l'état solide, elle augmente de volume : coincée dans les pores, la glace pousse sur les parois. Le jour, elle fond ; la nuit suivante, elle regèle. Ce sont ces cycles de gel-dégel répétés qui fissurent puis font éclater la surface du béton.
Figure 1 — À température positive, l'eau de pluie remplit les pores ; sous 0 °C, elle gèle, gonfle et fissure le béton.
Figure 2 — Refroidissement de l'eau du muret pendant une nuit de gel : palier à 0 °C.
Quand l'eau contenue dans les pores du béton gèle, elle passe de l'état liquide à l'état solide. Nomme ce changement d'état. Précise s'il absorbe ou dégage de la chaleur, et à quelle température il se produit pour l'eau (sous pression atmosphérique normale).
L'eau liquide → glace solide : c'est la solidification.
Elle dégage de la chaleur (elle est exothermique).
Pour l'eau, elle se produit à 0 °C (température de congélation / solidification à pression atmosphérique normale).
Les pores d'une portion de muret contiennent \(V = 2{,}5\ \text{L}\) d'eau de pluie. Sachant que \(1\ \text{L}\) d'eau a une masse de \(1\ \text{kg}\) (masse volumique \(1000\ \text{kg/m³}\)), calcule la masse \(m\) d'eau contenue dans les pores.
Comme \(1\ \text{L}\) d'eau pèse \(1\ \text{kg}\) : \(m = 2{,}5 \times 1 = \mathbf{2{,}5\ \text{kg}}\).
La portion de muret contient 2,5 kg d'eau dans ses pores.
En gelant, l'eau augmente d'environ 9 % de volume : \(1{,}00\ \text{L}\) d'eau donne \(1{,}09\ \text{L}\) de glace. Calcule le volume de glace \(V_{\text{glace}}\) formé à partir des \(2{,}5\ \text{L}\) d'eau, puis l'augmentation de volume \(\Delta V\).
\(V_{\text{glace}} = 2{,}5 \times 1{,}09 = \mathbf{2{,}725\ \text{L}}\).
\(\Delta V = V_{\text{glace}} - V = 2{,}725 - 2{,}5 = \mathbf{0{,}225\ \text{L}} = 225\ \text{mL}\).
Vérification : 9 % de \(2{,}5\ \text{L}\) donne \(0{,}09 \times 2{,}5 = 0{,}225\ \text{L}\). La glace occupe 225 mL de plus que l'eau.
Cette augmentation de volume se produit à l'intérieur des pores étroits du béton. Explique pourquoi elle finit par fissurer le matériau.
La glace occupe plus de place que l'eau, mais elle est emprisonnée dans les pores : elle pousse sur les parois (elle exerce une poussée / une pression vers l'extérieur). Le béton résiste mal à ce type de contrainte : de microfissures apparaissent. En se répétant à chaque nuit de gel, ce phénomène élargit les fissures jusqu'à faire éclater la surface du béton (c'est la gélifraction).
Le Document 2 montre la courbe de refroidissement de l'eau du muret pendant une nuit froide. Relève la température du palier, nomme le changement d'état qui s'y produit, et explique pourquoi la température reste constante pendant ce palier.
Le palier est à 0 °C. Il correspond à la solidification de l'eau (l'eau gèle).
Pendant tout le changement d'état d'un corps pur, la température reste constante : l'énergie échangée sert uniquement à transformer l'eau liquide en glace, pas à faire varier la température. La température ne redescend sous 0 °C qu'une fois toute l'eau gelée.
Calcule l'énergie thermique \(Q\) dégagée par la solidification des \(2{,}5\ \text{kg}\) d'eau du muret. Donnée : \(L_f = 334\,000\ \text{J/kg}\). Exprime le résultat en kJ.
\[ Q = m \times L_f = 2{,}5 \times 334\,000 = 835\,000\ \text{J} = \mathbf{835\ \text{kJ}} \] Cette énergie est dégagée (libérée) par l'eau lorsqu'elle gèle, puis évacuée vers l'air froid de la nuit.
Karim veut limiter les dégâts du gel-dégel sur ses ouvrages extérieurs. En t'appuyant sur ce que tu as compris (c'est l'eau dans les pores qui pose problème), propose deux mesures concrètes pour protéger un béton, et explique pourquoi elles sont efficaces.
Toute mesure qui réduit la quantité d'eau dans les pores réduit le risque. Par exemple :
• Utiliser un béton peu poreux (compact, ou à air entraîné) : moins de pores accessibles, donc moins d'eau qui gèle.
• Appliquer un traitement hydrofuge (imperméabilisant) : l'eau de pluie ne pénètre plus dans les pores.
• Assurer un bon drainage / une pente d'évacuation : l'eau ne stagne pas au contact du béton.
• Protéger l'ouvrage par une couvertine (dessus étanche) pour éviter l'infiltration par le haut.
Ces mesures sont efficaces car, sans eau dans les pores, il n'y a pas de glace, donc pas de gonflement ni de fissuration.
Rédige la note explicative que Karim laisse à son client : en quelques phrases claires, pourquoi son muret se fissure chaque hiver, et comment y remédier (au moins deux mesures).
« Votre muret est en béton poreux : l'eau de pluie s'infiltre dans ses petits trous (les pores). La nuit, quand il gèle (0 °C), cette eau se transforme en glace. Or la glace occupe environ 9 % de volume en plus que l'eau : emprisonnée dans les pores, elle pousse sur le béton et le fissure peu à peu. À chaque hiver, les cycles de gel et de dégel aggravent ces fissures. Pour protéger l'ouvrage, je recommande d'appliquer un produit hydrofuge (pour empêcher l'eau de pénétrer) et d'assurer une bonne évacuation de l'eau (pente, couvertine) afin qu'elle ne stagne pas dans le béton. »
Un béton plus compact (moins poreux) n'absorbe que la moitié d'eau, soit \(1{,}25\ \text{L}\). Calcule le volume de glace formé et l'augmentation de volume. Que peux-tu conclure sur le choix du béton pour un ouvrage exposé au gel ?
\(V_{\text{glace}} = 1{,}25 \times 1{,}09 = 1{,}3625\ \text{L}\).
\(\Delta V = 1{,}3625 - 1{,}25 = 0{,}1125\ \text{L} \approx \mathbf{113\ \text{mL}}\) (soit \(0{,}09 \times 1{,}25 = 0{,}1125\ \text{L}\)).
L'augmentation de volume est deux fois plus faible (113 mL au lieu de 225 mL). Conclusion : un béton moins poreux retient moins d'eau, donc subit un gonflement de glace plus faible : il résiste mieux au gel-dégel. C'est pourquoi on choisit des bétons compacts (ou à air entraîné) pour les ouvrages exposés.
📚 §2, §3 et §4 de la leçon Ch12.