Rappel sur les états de la matière

La matière peut se trouver sous différentes formes : l’état solide, l’état liquide et l’état gazeux.

La matière n’est pas figée et peut changer d’état en fonction de la température : c’est ce que l’on appelle le changement d’état. Ainsi :

  1. On peut passer de l’état solide à l’état liquide : c’est que l’on appelle la fusion et la transformation inverse se nomme la solidification.
  2. On peut également de l’état liquide à l’état gazeux : c’est ce que l’on appelle la vaporisation. Le phénomène inverse se nomme la liquéfaction.
  3. Enfin on peut passer de la forme gazeuse à la forme solide : c’est la condensation et le phénomène inverse s’appelle la sublimation.

Note : la sublimation et la condensation sont des phénomènes rares qui se produisent peu souvent sur Terre.

Qu'est ce que la sublimation ? La sublimation : le passage du solide au gaz.

Le saviez-vous ? Certains corps ont la propriété de se sublimer c'est à dire de passer de l'état solide à l'état gazeux. Comme expliqué précédemment ce phénomène reste rare sur notre planète. A l'air libre et à température ambiante des composés comme le camphre ou la neige carbonique peuvent se sublimer. La neige carbonique est aussi appelée glace sèche . Elle est composée de dioxyde de carbone et se trouve sous forme solide à une température de -78°C. Elle se sublime sans laisser aucune trace ni déchet sans passer par l'état liquide. Ainsi ses propriétés peuvent être utilisées pour le transport de matériels biologiques ou pour conserver les aliments. on peut aussi l'utiliser pour des mises en scène ou des spectacles nécessitant de la fumée blanche ou elle peut être utilisée dans la fameuse cuisine moléculaire.

Attention aux brûlures thermiques !

Celles-ci, comme leur nom l'indiquent sont causées par la chaleur. Elles peuvent être directes et très rapides (brûlure par contact avec un corps très chaud) ou être causées par une exposition à un élément chaud (coup de soleil).

On distingue trois degrés de brûlure :

  • le premier degré qui se traduit par une rougeur,
  • le deuxième degré qui se traduit par des ampoules
  • et le troisième degré ou l'épiderme et de derme sont détruits.

Le froid aussi peut créer des brûlures (en abaissant la température on cristallise l'eau des cellules qui se détruisent), on utilise d'ailleurs le froid en dermatologie pour détruire des lésions cutanées, cela se nomme la cryothérapie.

Exemple de l’eau

L’eau peut se trouver sous différentes formes :

  • A l’état liquide : elle se trouve sous cette forme quand la température se trouve au dessus de 0°C : on la trouve dans les mers, les océans…
  • A l’état solide : l’eau se trouve sous forme de glace ou sous forme de neige (minuscules cristaux) des que la température descend en dessous de 0°C.
  • A l’état gazeux : l’eau se trouve sous forme de vapeur invisible à l’œil nu.

Mais comment fait-on l’interprétation au niveau moléculaire de ces états ?

Echanges d'énergie entre deux corps

Lorsque deux corps en contact ont des températures différentes il se produit un échange d’énergie spontané : le corps dont la température est la plus élevée fournit une partie de son énergie au corps le plus froid et cet échange se poursuit jusqu’à ce que les deux corps soient en équilibre à la même température.

On parle alors d’équilibre thermique. Cet échange d’énergie a des conséquences sur les deux corps : elle fait varier leur température mais peut aussi modifier leur état physique.

En thermodynamique, on différencie donc les échanges d’énergie avec changement d’état et les échanges d’énergie sans changement d’état.

Attention, il ne faut pas confondre chaleur et température ! La chaleur caractérise un transfert d'énergie alors que la température caractérise un état.

Comment la chaleur peut-elle se transmettre ?

Quand deux corps ayant des températures différentes sont mis en contact, les particules en agitation du corps chaud (avec une énergie thermique plus grande) communique au corps froid leur énergie. Ce transfert se produit jusqu'à l'équilibre (les deux corps sont alors à la même température).

Ce passage d'énergie explique, entre autre le phénomène de brûlure au niveau de la peau. La chaleur peut être transmise par trois modes de transfert :

Transport de chaleur par conduction :

Dans le transport de chaleur par conduction, l'agitation thermique est transmise de proche en proche. La chaleur passe d'un corps chaud à un corps plus froid. On peut retrouver ce phénomène dans la cuisine !

La poêle est l'élément chaud qui peut faire fondre un morceau de beurre par exemple. La conduction thermique est donc un terme réservé aux solides.

Si certains métaux sont de très bons conducteurs de chaleur (cuivre, or, argent, aluminium...) d'autres sont au contraire de très mauvais conducteurs, on les appelle des isolants (laine de verre, polystyrène...)

La tableau ci-après donne quelques valeurs de conduction thermique :

ElémentConductivité thermique en Watt par mètre-kelvin
Plomb35
Cuivre380
Fonte50
Zinc110
Liège0.05
Polystyrène expansé0.045
Laine minérale0.045
Polyuréthane0.035

Transport de chaleur par convection :

Dans le transport de chaleur par convection, la chaleur se propage par déplacement de matière. Le phénomène de convection est donc propre aux fluides et aux gaz.

Par exemple dans un feu de cheminée, l'air chaud est produit par convection.

Comment la chaleur est elle transportée dans un radiateur ? La radiateur : un transport de chaleur par convection.

Transport de chaleur par rayonnement :

Le rayonnement électromagnétique peut être absorbé par la matière et converti en énergie thermique. L'énergie lumineuse par exemple peut réchauffer un sol.

Parmi les ondes électromagnétiques, celles qui sont les plus efficaces d'un point de vue thermique, sont les radiations infra-rouges. Ce type de transport de chaleur est aussi utilisé dans les micro-ondes pour faire chauffer la nourriture.

Le saviez vous ? Les lunettes infra-rouges permettent de se déplacer dans l'obscurité. En effet, ces lunettes thermiques permettent de détecter des ondes infra-rouges invisibles à l’œil nu. Tous les corps absorbent l'énergie lumineuse et la restitue sous forme de chaleur, et principalement les infra-rouges. Les corps vivants restituent beaucoup plus d'énergie thermique. Certains serpent peuvent d'ailleurs détecter ces infra-rouges ce qui leur permet de visualiser facilement leurs proies.

Comment les serpents détectent-ils leurs proies ? Le crotale peut détecter les infra-rouges.

Interprétation miscroscopique de l'énergie d'un corps

Quel que soit l’état physique d’un corps, les molécules ou les ions qui le constituent ne sont jamais totalement fixes:

  • Dans un solide il y a toujours une agitation des molécules et des ions qui vibrent plus ou moins fortement autour de leur position d’équilibre. Les particules sont toutes serrées les unes aux autres.
  • Dans un liquide les molécules et les ions restent en contact les uns avec les autres mais peuvent se déplacer.
  • Dans un gaz les molécules sont en mouvement permanent et elles ne cessent de se heurter entre elles et de rentrer en collision avec les substances voisines.

Dans ces trois états l’énergie thermique et la température d’un corps sont liées au degré d’agitation (vibration au mouvement) des particules qui le constitue.

Augmentation de température d'un corps

La température d'un corps n°1 peut augmenter lorsqu'il est en contact avec un corps n°2 de température plus élevée.

Dans ce cas l'agitation des particules du corps n°2 se communique à celles des particules n°1 :

  1. Les particules du corps n°1 sont moins agitées, la température diminue et il y a une perte d'énergie
  2. Les particules du corps n°2 sont plus agitées, de l'énergie est gagnée et la température augmente.

Changement d'état

Pour qu'un corps change d'état il doit recevoir une énergie supérieure à celle qui assure sa cohérence initiale par le biais des interactions de Van der Waal et éventuellement par les liaisons hydrogène.

Cette énergie est communiquée par le biais de l'agitation thermique des particule d'un corps de température plus élevée qui perd une partie de son énergie.

Étudions ce qui se passe lors d'un changement d'Etat au niveau microscopique :

Cas de la fusion

La fusion désigne le changement d'état d'un corps solide en liquide, comme par exemple de la glace qui fond en eau liquide.

Au niveau moléculaire, la glace est une structure solide ou les particules sont serrées les unes aux autres. La cohésion du cristal de glace est due aux interactions entre les molécules d'eau. Ces interactions sont à la base de la structure ordonnée qui représente le cristal de glace.

Pour détruire cette structure et passer à l'état liquide ou les molécules d'eau ne sont plus aussi bien ordonnées, il faut fournir de l’énergie. Cette énergie est fournie sous forme de chaleur.

Cas de la vaporisation

La vaporisation est le passage de l'état liquide à l'état gazeux. Cela se produit quand on chauffe de l'eau dans une casserole par exemple et que l'eau commence à bouillir.

Dans l'eau liquide, les molécules et les ions peuvent se déplacer mais il reste encore des interactions fortes. Quand le système reçoit de la chaleur, cela libère les molécules qui deviennent quasiment indépendantes au sein de la vapeur d'eau.

Ainsi tout changement d'état s'accompagne d'une modification de l’interaction entre les particules.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).

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