Identifier les trois états de la matière et leurs caractéristiques
Nommer et classer les six changements d'état
Expliquer le palier de température lors d'un changement d'état
Utiliser la formule \(Q = m \cdot L\) pour calculer une énergie
Relier ces phénomènes aux applications professionnelles (séchage, chauffage, solvants)
Situation professionnelle — Séchage et application de vernis
Un peintre en bâtiment applique une peinture à l'eau sur les murs d'un appartement : le solvant (eau) doit s'évaporer pour que le film protecteur se forme. Il doit comprendre l'évaporation et le palier de température pour choisir les bonnes conditions de séchage (température, ventilation) sans risque de cloquage.
1. Les états de la matière
Définition
La matière peut exister sous trois états physiques : solide, liquide et gazeux. Ces états dépendent de la température et de la pression.
État
Forme
Volume
Arrangement des particules
Exemple en atelier
Solide
Forme propre
Volume propre
Ordonnées, très proches, vibrent sur place
Planche de bois, clou, verre
Liquide
Forme du contenant
Volume propre
Mobiles, proches, désordonnées
Eau, peinture liquide, colle blanche
Gaz
Forme du contenant
Volume du contenant
Très éloignées, agitation rapide
Vapeur de solvant (acétone, white-spirit), vapeur d'eau, air
Arrangement des particules selon l'état : du solide (ordonné et compact) au gaz (dispersé et agité), c'est l'espacement et l'agitation qui changent — pas les particules elles-mêmes.
Lien professionnel
Les solvants volatils présents dans les vernis et peintures passent spontanément de l'état liquide à l'état gazeux à température ambiante : c'est pour cela qu'on sent l'odeur du vernis même sans chauffer le produit.
Application — Identifier l'état
Dans un atelier, préciser l'état physique (solide, liquide ou gaz) de chacun des corps suivants :
un clou en acier ;
la colle blanche dans son pot ;
la vapeur d'acétone qui s'échappe d'un flacon ouvert ;
une planche de chêne.
a) Clou en acier : solide (forme propre et volume propre).
b) Colle blanche : liquide (prend la forme du pot, volume propre).
c) Vapeur d'acétone : gaz (occupe tout le volume disponible, se disperse dans l'air).
d) Planche de chêne : solide (forme et volume propres).
2. Les changements d'état
Définition
Un changement d'état est le passage d'un état physique à un autre. Il existe six changements d'état. Lors d'un changement d'état, la composition chimique du corps pur ne change pas.
Nom
Transition
Énergie
Fusion
Solide → Liquide
Absorbe de la chaleur (endothermique)
Solidification
Liquide → Solide
Dégage de la chaleur (exothermique)
Vaporisation
Liquide → Gaz
Absorbe de la chaleur (endothermique)
Condensation
Gaz → Liquide
Dégage de la chaleur (exothermique)
Sublimation
Solide → Gaz
Absorbe de la chaleur (endothermique)
Condensation solide
Gaz → Solide
Dégage de la chaleur (exothermique)
Propriété
La vaporisation comprend deux phénomènes :
• L'ébullition : vaporisation rapide dans tout le liquide, à température fixée (100 °C pour l'eau à pression normale).
• L'évaporation : vaporisation lente à la surface, à n'importe quelle température.
Figure 1 — Les six changements d'état de la matière
Application
Indiquer le nom du changement d'état et préciser si de la chaleur est absorbée ou dégagée :
L'eau de pluie se transforme en verglas sur la route.
La naphtaline (antimites) disparaît progressivement sans laisser de liquide.
L'acétone d'un vernis à ongles s'évapore dans l'atelier.
a) L'eau liquide → glace solide : solidification (dégage de la chaleur).
b) Naphtaline solide → gaz directement : sublimation (absorbe de la chaleur).
c) Acétone liquide → vapeur gazeuse : évaporation (vaporisation lente, absorbe de la chaleur).
3. Palier de température
Propriété fondamentale
Lors d'un changement d'état d'un corps pur, la température reste constante même si on continue à apporter ou à retirer de l'énergie. Toute l'énergie reçue sert uniquement à modifier l'état physique.
Exemple
Lorsqu'on chauffe de la glace :
• La température monte jusqu'à 0 °C, puis stagne (palier de fusion).
• Une fois toute la glace fondue, la température remonte jusqu'à 100 °C, puis stagne (palier d'ébullition).
• Après ébullition complète, la température de la vapeur monte à nouveau.
Courbe de chauffage de l'eau
Figure 2 — Courbe de chauffage de l'eau : deux paliers de température à 0 °C et 100 °C
Application
Sur la courbe de chauffage de l'eau (figure 2 ci-dessus), répondre aux questions :
Combien de paliers observe-t-on ? À quelles températures ?
Que se passe-t-il pour la température pendant un palier ?
Quel changement d'état correspond au palier à 0 °C ?
a) On observe deux paliers : à 0 °C (fusion de la glace) et à 100 °C (ébullition de l'eau).
b) Pendant un palier, la température reste constante même si on continue à chauffer.
c) Le palier à 0 °C correspond à la fusion (glace → eau liquide).
Courbe de refroidissement — ce que le palier révèle
Propriété
Le palier s'observe dans les deux sens : au chauffage comme au refroidissement. Quand on laisse refroidir un corps pur liquide, la température descend, puis reste constante pendant toute la solidification, avant de descendre de nouveau.
Deux lectures utiles de cette courbe :
• un palier horizontal net est la signature d'un corps pur ; un mélange, lui, se fige progressivement sur une plage de températures, sans palier franc ;
• la température du palier est une caractéristique du corps : elle permet de l'identifier (0 °C pour la fusion de l'eau, 327 °C pour celle du plomb, 660 °C pour celle de l'aluminium).
Figure 3 — Courbe de refroidissement d'un corps pur : la température reste bloquée pendant toute la solidification.
Application — Identifier un corps pur au laboratoire
En travaux pratiques, on suit le refroidissement d'un tube de naphtalène préalablement fondu. On relève :
Temps (min)
0
2
4
7
10
13
T (°C)
94
86
80
80
80
66
À quelle température se situe le palier ? Combien de temps dure-t-il ?
Quel changement d'état s'y produit ? Absorbe-t-il ou dégage-t-il de la chaleur ?
Peut-on affirmer que le naphtalène est un corps pur ? Justifier.
a) Le palier est à 80 °C. Il s'étend de \(t = 4\) min à \(t = 10\) min, soit 6 minutes.
b) Le liquide devient solide : c'est une solidification, qui dégage de la chaleur (exothermique). C'est justement cette chaleur libérée qui compense les pertes vers l'air et maintient la température constante.
c) Oui : le palier est net et horizontal, ce qui caractérise un corps pur. Un mélange se serait figé progressivement, la température continuant à descendre lentement pendant la prise en masse.
4. Énergie de changement d'état
Définition
La chaleur latente est l'énergie échangée par unité de masse lors d'un changement d'état à température constante.
On distingue :
• \(L_f\) : chaleur latente de fusion (J/kg)
• \(L_v\) : chaleur latente de vaporisation (J/kg)
• \(L_s\) : chaleur latente de sublimation (J/kg) — le passage direct du solide au gaz, comme la neige carbonique ; elle apparaît au tableau de synthèse, sans valeur tabulée ici.
\( Q = m \times L \)
Q : énergie thermique en joules (J) — m : masse en kilogrammes (kg) — L : chaleur latente en J/kg
Corps
Chaleur latente de fusion \(L_f\) (J/kg)
Chaleur latente de vaporisation \(L_v\) (J/kg)
Eau
334 000
2 260 000
Fer
272 000
6 090 000
Plomb
22 400
858 000
Aluminium
397 000
10 900 000
Méthode — Calculer Q Exemple : Quelle énergie faut-il pour faire fondre 2 kg de glace à 0 °C ?
Données : \(m = 2\text{ kg}\), \(L_f = 334\,000\text{ J/kg}\) Application :
\[ Q = m \times L_f = 2 \times 334\,000 = 668\,000 \text{ J} = 668 \text{ kJ} \]
Il faut 668 kJ pour faire fondre 2 kg de glace.
Attention aux unités
La chaleur latente \(L\) est donnée par kilogramme (J/kg). La masse doit donc toujours être convertie en kilogrammes avant le calcul, sinon le résultat est faux d'un facteur 1 000.
\(1\ \text{kg} = 1\,000\ \text{g}\), donc pour passer des grammes aux kilogrammes on divise par 1 000 : 350 g = 0,350 kg ; 75 g = 0,075 kg.
Côté résultat, c'est la même division : on passe des joules aux kilojoules en divisant encore par 1 000 (\(1\ \text{kJ} = 1\,000\ \text{J}\)), et aux mégajoules en divisant par 1 000 000 (\(1\ \text{MJ} = 1\,000\,000\ \text{J}\)).
Exemple : l'unité extérieure d'une pompe à chaleur lance un cycle de dégivrage pour faire fondre 350 g de givre accumulé sur l'échangeur.
Conversion : \(m = 350\ \text{g} = 0{,}350\ \text{kg}\).
\[ Q = m \times L_f = 0{,}350 \times 334\,000 = 116\,900\ \text{J} \approx 117\ \text{kJ} \]
Avec 350 au lieu de 0,350, on aurait trouvé 116,9 MJ, soit mille fois trop.
Application — Fusion d'un métal en fonderie
Dans une fonderie, un opérateur doit faire fondre 4 kg d'aluminium déjà porté à sa température de fusion. Calculer l'énergie nécessaire à cette fusion. Donnée : \(L_f(\text{aluminium}) = 397\,000\) J/kg
\[ Q = m \times L_f = 4 \times 397\,000 = 1\,588\,000 \text{ J} \approx 1{,}59 \text{ MJ} \]
Il faut environ 1,59 MJ (soit 1 588 kJ) pour faire fondre 4 kg d'aluminium déjà à sa température de fusion.
Application
Une chaudière à vapeur d'un réseau de chauffage doit vaporiser 3 kg d'eau. Calculer l'énergie nécessaire pour vaporiser cette eau. Donnée : \(L_v(\text{eau}) = 2\,260\,000\) J/kg
\[ Q = m \times L_v = 3 \times 2\,260\,000 = 6\,780\,000 \text{ J} = 6{,}78 \text{ MJ} \]
Il faut environ 6,78 mégajoules pour vaporiser 3 kg d'eau. C'est une énergie considérable : la vaporisation est le poste le plus coûteux en énergie (chaudières à vapeur, séchage en étuve).
Retrouver la masse à partir de l'énergie
Méthode
\(Q\) et \(m\) sont proportionnels. La relation \(Q = m \times L\) se lit donc aussi dans l'autre sens :
\[ m = \frac{Q}{L} \]
Exemple : un déshumidificateur de chantier condense la vapeur d'eau de l'air sur sa batterie froide. Le compteur de l'appareil indique qu'il a libéré 904 kJ lors de cette condensation. Quelle masse d'eau a-t-il récupérée dans son bac ?
Conversion : \(Q = 904\ \text{kJ} = 904\,000\ \text{J}\).
\[ m = \frac{Q}{L_v} = \frac{904\,000}{2\,260\,000} = 0{,}40\ \text{kg} \]
L'appareil a donc récupéré 0,40 kg d'eau, soit environ 0,40 L dans son bac.
5. Application — Séchage du bois
Contexte métier
Le bois fraîchement coupé (bois vert) contient une grande quantité d'eau : jusqu'à 50 à 100 % de sa masse sèche. Pour travailler le bois correctement (usinage, collage, finition), il faut l'amener à une humidité adaptée (< 12 % en général pour l'intérieur).
Phénomène physique
Le séchage du bois = vaporisation de l'eau contenue dans les cellules du bois. Cette vaporisation est un changement d'état (liquide → gaz) qui nécessite une grande quantité d'énergie.
Type de bois
Humidité approximative
Utilisation
Bois vert (abattu)
50 à 100 %
Non utilisable directement
Bois séché à l'air
15 à 20 %
Charpente, construction extérieure
Bois séché en étuve
6 à 12 %
Ameublement, menuiserie intérieure
Calcul simplifié
Une planche de 5 kg de bois vert contient 1,5 kg d'eau à évaporer. Quelle énergie faut-il pour la vaporiser ?
\[ Q = m \times L_v = 1{,}5 \times 2\,260\,000 = 3\,390\,000 \text{ J} \approx 3{,}39 \text{ MJ} \]
C'est pourquoi le séchage en étuve est énergétiquement coûteux. Le séchage naturel à l'air étale cette énergie sur plusieurs mois.
Application — Séchage d'un lot de planches
Un menuisier place dans une étuve un lot de planches contenant au total 2,5 kg d'eau à évaporer. Calculer l'énergie nécessaire pour vaporiser toute cette eau. Donnée : \(L_v(\text{eau}) = 2\,260\,000\) J/kg
\[ Q = m \times L_v = 2{,}5 \times 2\,260\,000 = 5\,650\,000 \text{ J} = 5{,}65 \text{ MJ} \]
Il faut 5,65 MJ pour évaporer 2,5 kg d'eau contenue dans le bois. Cela confirme pourquoi le séchage en étuve est un poste énergétique important en menuiserie.
6. Évaporation des solvants — sécurité en atelier
Danger
Les vernis, peintures, laques et colles contiennent des solvants organiques volatils (white-spirit, acétone, toluène...). Ces liquides s'évaporent à température ambiante → les vapeurs sont toxiques et/ou inflammables.
Précautions en atelier
• Ventilation forcée obligatoire lors de l'application de produits solvantés.
• Pas de source de chaleur (flamme, étincelle) à proximité : les vapeurs peuvent s'enflammer.
• Port de masque à cartouche adapté aux solvants organiques.
• Stockage en local ventilé à l'écart des sources d'ignition.
Exemple
Le white-spirit a un point d'éclair d'environ 40 °C : au-dessus de cette température, il émet assez de vapeurs pour qu'une flamme ou une étincelle les enflamme. En été dans un atelier mal ventilé, ce seuil peut être atteint — d'où l'interdiction de toute source d'ignition à proximité.
7. Tableau de synthèse
Changement d'état
Transition
Énergie
Formule
Fusion
Solide → Liquide
Absorbe
\(Q = m L_f\)
Solidification
Liquide → Solide
Dégage
\(Q = m L_f\)
Vaporisation
Liquide → Gaz
Absorbe
\(Q = m L_v\)
Condensation
Gaz → Liquide
Dégage
\(Q = m L_v\)
Sublimation
Solide → Gaz
Absorbe
\(Q = m L_s\)
Condensation solide
Gaz → Solide
Dégage
\(Q = m L_s\)
8. À retenir
Essentiel
La matière existe sous trois états : solide, liquide, gazeux. Les transitions entre ces états sont les six changements d'état.
Lors d'un changement d'état d'un corps pur, la température est constante (palier).
L'énergie échangée se calcule avec : \(\boxed{Q = m \times L}\) en joules.
Le séchage du bois est une vaporisation de l'eau : il consomme beaucoup d'énergie car \(L_v = 2{,}26 \times 10^6\) J/kg.
Les solvants de vernis s'évaporent à température ambiante → ventilation obligatoire pour raisons de santé et de sécurité incendie.