Les changements d'état d'un corps pur Ressource documentaire n°2

États de la matière

En physique, un état de la matière correspond à un certain degré de cohérence de la matière (densité, structure cristalline, indice de réfraction…) qui se traduit par des comportements définis par les lois de la physique (malléabilité, ductilité, viscosité, loi des gaz parfaits, etc.).

Les trois états les plus classiques de la matière sont :

  • l'état gazeux ;
  • l'état liquide ;
  • l'état solide ;

Cette classification est cependant incomplète. On peut y ajouter différents états plus exotiques :

  • l'état plasma (gaz ionisé) ;
  • l'état supercritique (indistinction liquide-gaz obtenu par augmentation de la pression) ;

Changements d'état

Un changement d'état s'effectue à pression et à température constantes. L'énergie échangée sous forme de chaleur lors d'un changement d'état résulte de la modification (rupture ou établissement) de liaisons intermoléculaires. Pour passer d'un état où les molécules sont fortement liées à un état où elle le sont moins, il faut apporter de l'énergie à la matière pour rompre les liaisons : la variation d'énergie du corps pur est alors positive. Inversement, passer d'un état de faibles liaisons moléculaires à un état de fortes liaisons moléculaires induit une variation négative de l'énergie du corps pur.

Pour comprendre les différents états de la matière, on peut dessiner un diagramme de phases qui représentent les 3 états (ou phases) d’un élément en fonction de sa température et de sa pression. Dans le cas de l’eau à pression atmosphérique (1 bar), la phase est solide en dessous de 0°C, liquide entre 0°C et 100°C et gazeuse au dessus de 100°C. Le passage d’une phase à une autre porte un nom précis et se réalise à pression et à température constante, il y a donc des points (en fait des lignes) où 2 états de la matière coexistent lors du changement de phase.

Diagramme de phases de l'eau

Il faut bien comprendre que pour connaitre l’état d’un élément, il ne suffit pas de connaitre sa température : sa pression est également indispensable ! Par exemple, on peut obtenir de la vapeur d’eau à -10°C à très basse pression et de l’eau liquide à 300°C sous haute pression, ce qui peut s’avérer très pratique. L’eau liquide pressurisée à environ 300 °C est par exemple utilisée dans certains réacteurs nucléaires pour refroidir le cœur de la centrale (centrales de type EPR).

Il existe également 2 points particuliers :

Le point triple où les 3 états coexistent ensemble (0,006 bar et 0,01°C pour l’eau).

Le point critique : au-delà de ce point, liquide et gaz ne sont plus distinguables et on parle alors de fluide supercritique (218 bar et 374 °C pour l’eau). C’est en quelque sorte un état indéfini, car au-delà de ce point, les transitions de phase sont impossibles et donc il n’est plus possible de distinguer gaz et liquide.

Variation d'énergie interne d'un corps pur en fonction de sa température

c est la capacité thermique massique du corps.

Variation d'énergie interne d'un corps pur lors d'un changement d'état

L est l'enthalpie (ou chaleur latente) de changement d'état massique.

Created By
Cedric DESPAX
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