I- Les changements d’état des corps purs.

1)-  Transformation physique :

a)- Définition :

-  Une transformation physique a lieu quand une espèce passe d’un état physique (solide, liquide ou gaz) à un autre état physique.

b)- Les noms des changements d’état : diagramme :

-   Remarque : il ne faut pas confondre fusion et dissolution.

-   Lorsque du sucre est introduit dans l’eau, il est inexact de dire que le « sucre fond ».

-   Le sucrer de fond pas, il ne passe pas de l’état solide à l’état liquide.

-   Le sucre se dissout dans l’eau. L’eau est le solvant et le sucre le soluté.

-   On obtient une solution aqueuse sucrée.

c)- Description des différents états de la matière :

-   L’état gazeux : c’est un état dispersé.

-   Les molécules ou les atomes sont éloignés les uns des autres et se déplacent dans toutes les directions de façon désordonnée.

-   Les interactions entre les entités chimiques sont faibles.

-   L’état liquide et l’état solide.

-   L’état liquide comme l’état solide est un état condensé.

-   À l’état liquide, les entités chimiques sont les unes contre les autres et peuvent glisser les unes sur les autres.

-   Les entités chimiques sont en mouvement constant.

-   À l’état solide, les entités chimiques sont en contact les unes avec les autres.

-   On est en présence d’un assemblage compact et ordonné.

-   Les entités chimiques sont en vibration constante autour d’une position d’équilibre.

d)- Changement d’état physique :

-   Lors d’une transformation physique, l’espèce chimique ayant subi la transformation ne change pas.

-   Seules les interactions entre les molécules sont modifiées.

-   Une élévation de température conduit à une agitation plus grande des molécules.

-   Les changements d’état d’un corps pur s’effectuent à température constante sous une pression donnée.

-   Les deux états coexistent lors d’un changement d’état :

Cas de l’eau :

On chauffe un morceau de glace pris à - 20 °C,

-   Dans un premier temps, la quantité de chaleur cédée au système (le bloc de glace) permet d’augmenter la température de la glace.

-   Lorsque la température du bloc de glace est égale à 0 °C (température de fusion de l’eau), la glace fond à température constante.

-   La quantité de chaleur cédée au système transforme la glace (eau à l'état solide) en eau à l'état liquide.

-   Lorsque toute la glace a disparu, la quantité de chaleur cédée au système permet d'augmenter la température de l'eau à l'état liquide.

-   Lorsque la température de l'eau à l'état liquide est égale à 100 °C (température de vaporisation de l’eau sous la pression atmosphérique),

-   Elle se transforme en vapeur d'eau à température constante.

-   La quantité de chaleur cédée au système transforme l’eau à l'état liquide en de l’eau à l'état gazeux.

-   Diagramme :

-   un transfert d'énergie sous forme de chaleur modifie l'énergie microscopique du système.

2)-  Équation d’un changement d’état :

-   L’équation d’un changement d’état est l’écriture symbolique, à l’échelle macroscopique, de la transformation physique d’une espèce.

-   Exemple : cas de l’eau qui passe de l’état solide à l’état liquide.

-   La fusion de l’eau peut être modélisée par l’équation suivante :

H₂O (s)  →  H₂O (ℓ)

II- Les transferts d’énergie.

1)-  Énergie massique de changement d’état :

-   Lors d’une fusion, d’une vaporisation ou d’une sublimation,

-   L’espèce chimique change d’état physique et son énergie augmente

-   Alors que celle du milieu extérieur diminue :

-   La transformation est endothermique (Q > 0)

-   Le milieu extérieur se refroidit.

-   Lors d’une solidification, d’une liquéfaction ou d’une condensation,

-   L’espèce chimique change d’état physique et son énergie diminue

-   Alors que celle du milieu extérieur augmente :

-   La transformation est exothermique (Q < 0)

-   Le milieu extérieur se réchauffe.

2)-  Chaleur latente de changement d’état :

-   L’énergie transférée lors d’un changement d’état d’un kilogramme d’une espèce chimique est l’énergie massique de changement d’état, notée L de cette espèce.

-   Cette énergie est aussi appelée chaleur latente de changement d’état.

-   Elle s’exprime en J. kg^–1.

-   L’énergie Q transférée lors du changement d’état d’une masse m de l’espèce est donnée par la relation suivante :

3)-  Énergie transférée lors d’une élévation de température d’une espèce chimique sans changement d’état.

-  L’énergie Q transférée lorsqu'une masse m de substance dont la température varie

d’une valeur initiale θ_i à une valeur finale θ_f est donnée par la relation suivante :

-   Exemple :

-  Calculer la quantité de chaleur nécessaire pour obtenir 80 L d’eau à 80 ° C à partir de 80 L d’eau à 20 ° C.

-  On donne :

-  Masse volumique de l’eau : ρ = 1,0 kg . L^–1

-  Capacité thermique massique de l’eau à l’état liquide :

-  c = 4,18 kJ . kg ^{– 1} . ° C^{– 1} .

- L'eau ne change pas d'état physique lors de cette élévation de température.

-  On détermine la valeur de l’énergie transférée à l’eau lors de cette élévation de température

-  Q = m . c . Δθ = m . c . (θ_f – θ_i) = 80 × 4,18 × (80 – 20)

-  Q = 2,0 × 10 ⁴  kJ.

-  Remarque :

-  Si θ_f > θ_i   =>  Q >  0, la substance reçoit de l'énergie du milieu extérieur.

-  Si θ_f <  θ_i  =>  Q <  0, la substance cède de l'énergie au milieu extérieur.

Transfert par chaleur produisant une élévation de température.

4)-  Détermination expérimentale : Mesure de la capacité thermique du laiton.

-   Le calorimètre constitue un système thermiquement isolé.

-   Il n’y a pas de transfert d’énergie vers le système extérieur pendant la durée de l’expérience :

-   En conséquence, la somme des énergies transférées, à l’intérieur du calorimètre, par les différentes parties du système est nulle :

-   Q₁ + Q₂ + Q₃ + … = 0

III- Applications.

1)-  QCM :

2)-  Exercices :