Chapitre 12 — Changements d'état et énergie thermique
Physique-Chimie — 2nde Bac Pro — Année 2025-2026
Dernière mise à jour : 26 juin 2026
Précision programme
Au programme de Seconde : calculer l'énergie d'un changement d'état (\(Q = m \cdot L\)). Les calculs d'échauffement \(Q = m \cdot c \cdot \Delta T\) qui complètent certains exemples relèvent de la Première (voir convention du chapitre 11).
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 métiers du bois (séchage, vernis, solvants)
Situation professionnelle — Séchage et application de vernis
Un menuisier applique un vernis à l'eau sur des panneaux : 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, colle en bâton
Liquide
Forme du contenant
Volume propre
Mobiles, proches, désordonnées
Eau de traitement du bois, vernis liquide, colle blanche
Gaz
Forme du contenant
Volume du contenant
Très éloignées, agitation rapide
Vapeur de solvant (acétone, white-spirit), air dans le bois
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.
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).
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)
\( Q = m \times L \)
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.
Application
Un menuisier doit sécher 3 kg d'eau contenue dans un lot de planches de chêne. 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, ce qui explique la durée et le coût du séchage en étuve.
5. Application — Séchage du bois
Contexte métier
Le bois fraichément 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.
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 : ses vapeurs peuvent s'enflammer dès 40 °C. En été dans un atelier mal ventilé, ce seuil peut être atteint.
7. Tableau de synthèse
Changement d'état
Transition
Énergie
Formule
Fusion
Solide → Liquide
Absorbe : \(Q = m \cdot L_f\)
\(Q = m L_f\)
Solidification
Liquide → Solide
Dégage : \(Q = m \cdot L_f\)
\(Q = m L_f\)
Vaporisation
Liquide → Gaz
Absorbe : \(Q = m \cdot L_v\)
\(Q = m L_v\)
Condensation
Gaz → Liquide
Dégage : \(Q = m \cdot L_v\)
\(Q = m L_v\)
Sublimation
Solide → Gaz
Absorbe : \(Q = m \cdot L_s\)
\(Q = m L_s\)
Condensation solide
Gaz → Solide
Dégage : \(Q = m \cdot L_s\)
\(Q = m L_s\)
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.