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Outil de physique

Chapitre 2 : Les différents états de la matière I/ Etats et changement d’états La matière peut exister en général sous 3 états différents :  solide  liquide  vapeur (ou gaz) Remarque : L’état plasma est un état qui est hors équilibre. On trouve des molécules neutres et de molécules lourdes, dont la température est différente. Les cristaux liquides est un autre état de la matière.

L’état solide : les molécules sont très ordonnées, rapprochées et liées. Leur forme et leur volume est donc quasiment invariable. L’état solide : les molécules sont désordonnées (moins ordonnées), rapprochées et peu liées. Leur forme peut donc être variable mais leur volume va rester invariable. L’état gazeux : les molécules sont désordonnées, espacées et très agitées. Leur forme ainsi que leur volume est variable. L’état sous lequel se trouve la matière dépend de 2 paramètres :  la température  la pression Ainsi, à la pression atmosphérique normale, l’eau est solide (glace) en dessous de 0°C, est liquide entre 0°C et 100°C et est de la vapeur d’eau au dessus de 100°C. A 0°C l’eau change d’état et passe de l’état solide à l’état liquide (ou l’inverse). A 100°C l’eau change à nouveau d’état et passe de l’état liquide à l’état gazeux (ou l’inverse). Quand la matière passe d’un état à un autre on dit tout simplement qu’il y a changement d’état.

SCHEMA 1 DES CHANGEMENTS D’ETAT

 Liquide  Gaz : vaporisation  Gaz  Liquide : liquéfaction  Gaz  Solide : condensation  Solide  Gaz : sublimation  Liquide  Solide : solidification  Solide  Liquide : fusion Exemple : 4

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1- La glace a une température de -15°C au départ et la pièce environnante de 20°C. Il y a transfert d’énergie de l’air vers la glace  la température de la glace s’élève jusqu’à 0°C. 2- De (t)20min à (t)50min  glace et eau liquide à 0°C. Toujours transfert d’énergie de l’air (20°C) vers la glace + eau. La fusion de l’eau consomme de l’énergie. 3- Toute l’eau est devenue liquide. Elle va finalement atteindre 20°C. Echauffement et changement de phase de l’eau à la pression atmosphérique : SCHEMA 2

Analyse du graphique : Au départ de l’expérience, le bloc de glace a une température plus basse que sa température de fusion. Tout l’énergie, la chaleur apportée va servir à augmenter la température du bloc de glace. Lorsque le bloc de glace est arrivé à la température de fusion de la glace (0°C), toute l’énergie va maintenant servir a faire passer l’eau de l’état solide à l’état liquide (la glace rentre en fusion). Il n’y a pas d’augmentation de température car toute l’énergie apportée est utilisée pour réaliser le changement d’état. Durant cette phase, de l’eau sous forme solide et sous forme liquide vont être présentes dans le milieu. Lorsque toute l’eau est passée sous forme liquide, la chaleur apportée va être utilisée afin d’augmenter la température du liquide. Quand l’eau liquide atteint la température d’ébullition de l’eau (100°C), toute l’énergie (la chaleur apportée à va être utilisée par les molécules d’eau afin de passer de l’état liquide à gazeux. De l’eau à l’état liquide et à l’état gazeux vont être présente durant toute la vaporisation. A la fin de la vaporisation, toute l’eau aura changé d’état et se retrouvera sous forme de vapeur d’eau (gaz). L’énergie qui continue à être apportée au système va alors servir à augmenter la température du gaz (et aussi l’excitation des molécules).

II/ Diagramme d’équilibre de l’eau Si on refait l’expérience précédente à une autre pression, les valeurs des températures de fusion et de vaporisation sont différentes. Il est alors possible de tracer la courbe P=f(T) pour le passage liquide vapeur. Ce tracé est possible pour tous les changements de phase ce qui permet d’obtenir en plus de la courbe de fusion, les courbes de sublimation et de vaporisation.

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Sur un même graphe l’ensemble de ces cours constitue le diagramme d’équilibre du corps pur qui pour l’eau est représenté sur la figure ci-dessous. SCHEMA 3

Pour l’eau la courbe de fusion a la particularité d’avoir une pente négative, ceci traduit que l’eau sous forme solide occupe à masse égale un volume plus important que l’eau sous forme liquide (une bouteille plastique pleine d’eau liquide placée au congélateur éclate lorsqu’elle se solidifie). On peut noter sur ce diagramme deux points particuliers, le point triple et le point critique. Le point triple est le point ou il y a coexistence de l’eau sous trois états (liquide + solide + vapeur). Les coordonnées de ce point pour l’eau sont TT= 273,16K (0,01°C) et PT=0,006 atm. Le second point particulier est le point critique. Il est caractéristique de la courbe d’équilibre liquide-vapeur. Au delà du point critique on ne peut plus distinguer la vapeur et le liquide. A titre indicatif, le point critique de l’eau a pour coordonnée TC=370°C et PC=218 atm. Eau : Le point triple de l’eau est à : T=273,16K (soit 0,01°C) et P=611 Pa (soit 0,006 atm). Autres exemple de point triple :  point triple du diazote : T=63,16K et P=0,126 bar= 126 kPa  point triple du dioxyde de carbone : T=216,55K et P=519,10 (soit 5,12 atm)  point triple du néon : T=24,5561K et P=4,34.10-6 Pa Equilibre liquide-vapeur : courbe limitée au point critique : Tc Exemple :  eau : TC=647K et Pc=223.105 Pa  CO2 : TC=304K et PC=74.105 Pa Diagramme (P,V) : SCHEMA 4

Trait plein : courbe d’équilibre pointillés : transformation isotherme 6

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TT...