Modéliser une transformation physique

Une transformation physique modifie l’état ou l’organisation de la matière sans changer l’identité des espèces chimiques considérées. La glace et l’eau liquide contiennent toutes deux des molécules H₂O. À notre échelle, le solide possède une forme propre ; le liquide prend la forme du récipient et possède une surface libre au repos ; le gaz occupe tout le volume disponible. Ce sont des propriétés macroscopiques, observables sans voir les molécules.

La fusion est le passage du solide au liquide ; la solidification est le passage inverse. La vaporisation conduit du liquide au gaz ; la liquéfaction conduit du gaz au liquide. La sublimation fait passer directement du solide au gaz et la condensation solide réalise le passage inverse. La buée sur une vitre froide est constituée de gouttelettes liquides provenant de la liquéfaction de vapeur d’eau : le gaz lui-même est invisible.

Le modèle représente un solide cristallin par des entités proches et ordonnées, qui vibrent autour de positions. Dans un liquide, elles restent proches mais se réorganisent ; dans un gaz, elles sont très espacées et mobiles. Ce dessin ne représente ni leur taille réelle ni la forme d’une molécule. Lors de la fusion, ce sont les interactions et l’organisation entre les molécules qui changent, pas les liaisons à l’intérieur de H₂O.

Faire fondre du sucre et dissoudre du sucre dans l’eau ne décrivent pas la même opération. La fusion concerne un changement d’état d’un corps ; la dissolution met en jeu un soluté et un solvant et forme une solution. Pour du sucre qui se dissout sans réagir, les molécules se dispersent dans l’eau. On peut retrouver un solide en retirant le solvant, sans avoir pour autant réalisé une solidification de sucre fondu.

Les symboles (s), (l) et (g) décrivent des états physiques. Le symbole (aq) signifie que l’espèce est en solution aqueuse, au sein de l’eau : il ne veut pas dire que cette espèce est devenue un liquide pur. Une équation de changement d’état garde la même formule des deux côtés. Si de nouvelles espèces apparaissent, il faut étudier une transformation chimique. La réversibilité apparente ou la présence de bulles ne suffisent donc pas, seules, pour décider.

Un transfert thermique est un échange d’énergie lié à une différence de température. Pour faire fondre de la glace, l’environnement fournit de l’énergie au système glace. La transformation est endothermique : le système reçoit de l’énergie. Inversement, l’eau qui se solidifie fournit de l’énergie à son environnement : la transformation est exothermique. Il faut toujours annoncer le système, car ce qu’il reçoit est perdu par ailleurs.

La vaporisation et la sublimation sont aussi endothermiques ; la liquéfaction et la condensation solide sont exothermiques. De la sueur qui s’évapore prélève de l’énergie au voisinage de la peau, ce qui contribue au refroidissement. Des gouttes qui se forment sur une paroi libèrent au contraire de l’énergie vers cette paroi. Endothermique ne signifie donc pas automatiquement que la température du système augmente pendant la transformation.

Pour un corps pur à pression fixée, un changement d’état peut se dérouler à température constante pendant la coexistence des deux phases. Le palier du graphique d’étude correspond à la fusion de l’eau pure, avec solide et liquide présents. L’énergie reçue est alors associée au changement d’organisation. Avant et après ce palier, une seule phase est chauffée et la température augmente. Les conditions de pression et la pureté doivent être précisées pour interpréter correctement une courbe.

Pour un changement d’état donné, à des conditions fixées, la valeur de l’énergie échangée est proportionnelle à la masse qui change effectivement d’état. On utilise E = m × L, avec E en joules (J), m en kilogrammes (kg) et L, énergie massique de changement d’état, en joules par kilogramme (J/kg). Dans cette écriture, E et L sont des valeurs positives ; on indique séparément si l’énergie est reçue ou cédée. Cette convention évite de cacher le sens du transfert dans un signe.

La masse à employer est celle qui a réellement changé d’état. Si un glaçon n’a fondu qu’à moitié, utiliser sa masse totale surestime l’énergie de fusion. La relation ne calcule pas l’énergie nécessaire pour réchauffer au préalable une glace très froide, ni celle qui réchauffe l’eau après la fusion. Un problème qui cumule ces étapes demande de les distinguer ; ici, nous calculons uniquement la contribution du changement d’état.

Pour étudier une fusion en classe, on relève à intervalles réguliers la température d’un échantillon chauffé doucement, en notant les phases présentes. La sonde ne doit pas toucher le fond du récipient ; une agitation adaptée limite les différences de température. On conserve un tableau temps-température et on trace les points avec un tableur. Compare ensuite les points mesurés à la courbe prédite par le modèle et repère les écarts, sans modifier les mesures pour les faire coïncider.

Pour estimer une énergie massique, il faut mesurer la masse transformée et disposer d’une estimation de l’énergie reçue par cet échantillon. Toute l’énergie fournie par un appareil ne va pas nécessairement au changement d’état : le récipient se réchauffe et des échanges avec l’air existent. Répéter les essais permet d’observer une dispersion ; on compare la moyenne à une référence en discutant ces limites, plutôt que de déclarer la relation fausse après un seul écart.