Modélisation des transformations physiques

La matière qui nous entoure peut se trouver sous trois états physiques différents : solide, liquide, gaz.

Lors d'un changement d'état physique, les propriétés de la matière changent et l'arrangement spatial des molécules est modifié.

Les différents changements d'état portent des noms distincts :

Au cours d'une transformation

• physique : il y a changement d'état physique. Les espèces restent identiques ;
• chimique : les espèces réagissent ensemble et de nouvelles se forment.

Au cours d'un changement d'état physique, les espèces chimiques (atomes, ions, molécules) ne sont pas modifiées.

Ainsi, pour modéliser le changement d'état physique de l'espèce chimique A, on écrit :

\textbf{ A (état physique 1)} \rightarrow \textbf{ A (état physique 2)}

Exemple : \text{H}_2\text{O(s)} \rightarrow \text{H}_2\text{O(l)} pour la fusion de l'eau.

Les solides ont tous une forme, mais à l'échelle microscopique, on distingue :

• les cristaux (comme la glace, le sel, le diamant, la plupart des métaux, etc.) dans lesquels les espèces sont ordonnées et disposées de façon régulière ;
• les solides amorphes (comme le magma, le verre, certains polymères, etc.) dans lesquels les espèces ne possèdent pas d'ordre. Lors de la solidification, les espèces se figent de manière désordonnée.

Un gaz est composé d'espèces chimiques libres les unes par rapport aux autres, sans liaison entre elles. Elles se choquent sans cesse. Dans un gaz, les particules sont agitées et espacées.

Un liquide est constitué d'espèces chimiques très proches, en mouvement, reliées entre elles par des liaisons faibles. Dans un liquide, les particules sont mobiles et peu liées entre elles.

Un solide est formé d'espèces chimiques fortement liées les unes aux autres, ne disposant que de très peu de liberté de mouvement. Dans un solide, les particules sont quasi immobiles, et liées entre elles.

Au niveau microscopique, lors d'un changement d'état physique, l'agitation des espèces est modifiée jusqu'à ce que les liaisons entre les particules s'affaiblissent, se cassent ou se créent.

Exemple : lors de la solidification d'un liquide, les entités ralentissent, les liaisons entre les molécules deviennent de plus en plus fortes. Les particules sont alors quasi immobiles et liées entre elles (doc. 1).

Ne pas confondre fusion et dissolution
Une fusion est un changement d'état physique : l'agitation des particules augmente, les liaisons entre elles sont plus faibles : c'est un passage d'un état compact avec une forme propre (solide) à un état compact et désordonné (liquide).
Lors d'une dissolution, les particules d'un solide sont séparées de leur voisin par un solvant. Elles se retrouvent alors dispersées dans ce nouveau milieu.

Lors d'un chauffage, le corps capte de l'énergie au milieu extérieur. On dit que la transformation est endothermique. L'agitation des particules est plus grande, les liaisons entre les particules peuvent se rompre et le désordre augmente (doc. 3).

Les transformations physiques telles que la fusion, la vaporisation ou la sublimation absorbent de l'énergie : elles sont endothermiques.

À l'inverse, lorsque le corps perd de l'énergie, l'agitation des par- ticules diminue, les liaisons entre elles peuvent se créer et l'ordre augmente. C'est le cas lors de la solidification, de la condensation ou de la liquéfaction.

Ainsi les transformations physiques telles que la solidification, la condensation ou la liquéfaction libèrent de l'énergie vers l'extérieur : elles sont exothermiques.

L'énergie acquise ou perdue lors d'un changement d'état (\Delta E) provient d'un transfert thermique avec un autre système. On note ce transfert thermique Q donc Q = \Delta E.

Cette quantité d'énergie est proportionnelle à la masse du corps pur qui subit la transformation.

On en déduit : Q = m \cdot L
avec Q quantité d'énergie transférée en Joule (J), m masse du corps en kilogramme (kg) et L énergie massique de changement d'état en J·kg^-1. L est aussi appelée chaleur latente de changement d'état ou enthalpie de changement d'état.

En thermodynamique, lorsque la quantité d'énergie est perdue par le corps, elle est comptée négativement. Lorsqu'elle est gagnée par le corps, elle est comptée positivement.

Une transformation physique est endothermique si elle capte de l'énergie au milieu extérieur. Le système gagne de l'énergie.

Une transformation physique est exothermique si le système qui la subit libère de la chaleur vers l'extérieur. C'est une perte d'énergie pour le système.

Retrouvez ici une

vidéo

sur la mesure de l'énergie de vaporisation de l'eau.