Changements d'état

Changements d'état et thermodynamique

Nous savons donc ce qui se passe lorsque les matériaux changent d'état, mais pourquoi cela se produit-il réellement ? Examinons les aspects thermodynamiques du changement d'état et le rôle de l'énergie dans ce processus.

Si l'on met plus d'énergie dans un matériau, il se transformera en liquide ou en gaz, et si l'on retire de l'énergie d'un matériau, il se transformera en liquide ou en solide. Cela dépend bien sûr de la nature du matériau (solide, liquide ou gazeux) et des conditions environnementales exactes. Par exemple, si un gaz perd de l'énergie, il peut se transformer en liquide, et si un solide gagne de l'énergie, il peut également se transformer en liquide. Cette énergie est généralement introduite dans un matériau par le biais d'une augmentation de la température ou d'une augmentation de la pression, et ces deux variables peuvent entraîner différents changements d'état.

Fig. 1. Exemple de structure moléculaire d'un solide, d'un liquide et d'un gaz.

Exemples de changements d'état

Tu trouveras ci-dessous une liste de tous les changements d'état que nous devons connaître, ainsi qu'une brève explication décrivant ce qu'est chacun d'entre eux.

Congélation

Un bon exemple est la transformation de l'eau en glace. À mesure que la température diminue, l'eau commence à perdre de l'énergie jusqu'à ce que chaque molécule d'eau n'ait plus l'énergie nécessaire pour se déplacer autour d'autres molécules d'eau. Une fois que cela se produit, les molécules forment une structure rigide qui est maintenue rigide par l'attraction qui se produit entre chaque molécule : nous avons maintenant de la glace. Le point auquel la congélation se produit est connu sous le nom de point de congélation.

La fonte

La fonte est le contraire de la congélation. En reprenant notre exemple précédent, si la glace était soumise à des températures plus élevées, elle commencerait à absorber l'énergie de son environnement plus chaud, ce qui exciterait à son tour les molécules de la glace et leur donnerait l'énergie nécessaire pour se déplacer à nouveau les unes autour des autres : nous avons donc à nouveau un liquide. La température à laquelle un matériau fond est appelée point de fusion.

L'évaporation

Lorsqu'un matériau est liquide, il n'est pas entièrement lié par la force d'attraction entre les molécules, mais cette force a toujours une certaine emprise sur elles. Lorsqu'un matériau a absorbé suffisamment d'énergie, les molécules sont désormais capables de se libérer entièrement de la force d'attraction et le matériau passe à l'état gazeux : les molécules volent librement et ne sont plus autant affectées les unes par les autres. Le point auquel une matière s'évapore est connu sous le nom de point d'ébullition.

La condensation

La condensation est le contraire de l'évaporation. Lorsqu'un gaz pénètre dans un environnement à température plus basse ou rencontre un objet à température plus basse, l'énergie contenue dans les molécules de gaz commence à être absorbée par l'environnement plus froid, ce qui fait que les molécules deviennent moins excitées. Une fois que cela se produit, elles commencent à être liées par les forces d'attraction entre chaque molécule, mais pas entièrement, et le gaz devient alors un liquide. Un bon exemple de ce phénomène est celui d'un morceau de verre ou d'un miroir qui s'embue dans une pièce chaude. La vapeur d'eau dans une pièce est un gaz, et le verre ou le miroir est un matériau plus froid en comparaison. Lorsque la vapeur touche le matériau froid, l'énergie contenue dans les molécules de vapeur est absorbée et transmise au miroir, ce qui le réchauffe légèrement. La vapeur se transforme alors en eau liquide qui se retrouve directement sur la surface froide du miroir.

Fig. 2 : Exemple de condensation. L'air chaud de la pièce frappe la fenêtre froide, transformant la vapeur d'eau en eau liquide.

Sublimation

La sublimation est différente des autres changements d'état que nous avons examinés précédemment. Habituellement, une matière doit changer d'état "un état à la fois" : solide à liquide à gaz, ou gaz à liquide à solide. Cependant, la sublimation y renonce et permet à un solide de se transformer en gaz sans avoir à se transformer en liquide !

Cela se produit grâce à l'augmentation de l'énergie dans le matériau au point que les forces d'attraction entre les molécules sont entièrement rompues, sans qu'il y ait de phase intermédiaire de liquide. En général, la température et la pression du matériau doivent être très basses pour que cela se produise.

Fig. 3 : Le processus de sublimation. Le brouillard blanc est la conséquence de la condensation de la vapeur d'eau sur le gaz de dioxyde de carbone froid et sublimé.

Les changements d'état et le modèle des particules

Le modèle particulaire de la matière décrit la façon dont les molécules d'un matériau s'organisent et le mouvement dans lequel elles s'organisent. Chaque état de la matière a sa propre façon de se former.

Les solides ont leurs molécules alignées les unes contre les autres, le lien entre elles étant fort. Les molécules des liquides ont une liaison plus lâche entre elles, mais elles sont toujours liées, mais de façon moins rigide, ce qui permet un plus grand degré de mouvement : elles glissent l'une sur l'autre. Dans les gaz, cette liaison est entièrement rompue et les molécules individuelles peuvent se déplacer de manière totalement indépendante les unes des autres.

Schéma des changements d'état

La figure ci-dessous montre le processus complet de relation entre tous les changements d'état, du solide au liquide, puis au gaz et vice-versa.

Fig. 4 : Les états de la matière et les changements qu'ils subissent.