Changement d'état et énergie

Écrire l'équation d'un changement d'état

Un changement d'état est une transformation physique : l'espèce chimique reste la même, seul l'état change (solide, liquide ou gaz). Les molécules d'eau sont les mêmes dans la glace, dans l'eau liquide et dans la vapeur.

On écrit donc une équation avec la même formule de chaque côté, et on note l'état entre parenthèses : $(s)$ solide, $(\ell)$ liquide, $(g)$ gaz.

Exemples pour l'eau :

• fusion : $\text{H}_2\text{O}(s) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(\ell)$ ;

• solidification : $\text{H}_2\text{O}(\ell) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(s)$ ;

• vaporisation : $\text{H}_2\text{O}(\ell) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(g)$ ;

• condensation solide (le givre sur une vitre) : $\text{H}_2\text{O}(g) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(s)$.

Endothermique ou exothermique ?

Quand le glaçon fond, il reçoit de l'énergie : il la prend à l'eau du verre (qui se refroidit) et à l'air. Quand l'eau gèle dans un congélateur, elle cède de l'énergie au milieu extérieur.

Retiens : passer d'un état où les entités sont fortement liées entre elles (solide) à un état où elles sont plus libres (liquide, puis gaz) demande de l'énergie ; dans l'autre sens, elle est libérée. Les transformations inverses échangent la même énergie, mais en sens opposé.

Calculer l'énergie échangée : $E = m \cdot L$

Plus on fait fondre de glace, plus il faut d'énergie : l'énergie est proportionnelle à la masse qui change d'état.

Pour l'eau : $L_f = 334\ \text{kJ}\cdot\text{kg}^{-1}$ (fusion) et $L_v = 2\,260\ \text{kJ}\cdot\text{kg}^{-1}$ (vaporisation). Vaporiser demande donc environ sept fois plus d'énergie que fondre. Ces valeurs sont données dans les énoncés. Pendant le changement d'état d'un corps pur, la température reste constante.

Si l'énergie est fournie avec une puissance $P$ pendant une durée $\Delta t$, alors $E = P \cdot \Delta t$ (avec $E$ en J, $P$ en W, $\Delta t$ en s).

Toute la glace fond-elle ? Bilan d'énergie

Quand on met de la glace dans de l'eau plus chaude, l'eau cède de l'énergie en se refroidissant. Avec la capacité thermique massique $c$ de l'eau liquide :

Pour savoir si toute la glace fond, on compare deux énergies : celle qu'il faut pour fondre toute la glace, et celle que l'eau peut céder au maximum en descendant à $0\ ^\circ\text{C}$.

Fusion ou dissolution ?

Ces deux mots ne désignent pas la même transformation.

• Fusion : un corps pur solide devient liquide, à une température précise ($0\ ^\circ\text{C}$ pour la glace). Une seule espèce intervient : $\text{H}_2\text{O}(s) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(\ell)$.

• Dissolution : un solide (le soluté) se disperse dans un liquide (le solvant) et forme une solution. Pour le sel : $\text{NaCl}(s) \xrightarrow{\ \text{eau}\ } \text{Na}^+(aq) + \text{Cl}^-(aq)$.

Retour au début : le glaçon fond en recevant de l'énergie (fusion endothermique), prise à l'eau du verre qui se refroidit ; pour $25\ \text{g}$, il faut $E = 0{,}025 \times 334 \approx 8{,}4\ \text{kJ}$.

L'essentiel

• Un changement d'état est une transformation physique : la formule ne change pas, seul l'état $(s)$, $(\ell)$, $(g)$ change.

• Fusion, vaporisation et sublimation sont endothermiques (énergie reçue) ; solidification, liquéfaction et condensation solide sont exothermiques (énergie cédée).

• $E = m \cdot L$ avec $m$ en kg et $L$ en $\text{kJ}\cdot\text{kg}^{-1}$ ; $E = P \cdot \Delta t$ ; $E = m\,c\,\Delta T$ pour un échauffement ou refroidissement.

• Pour savoir si toute la glace fond, compare l'énergie nécessaire et l'énergie disponible.

• Fusion et dissolution sont deux transformations différentes.