\chapter{Les transformations physiques}


\section{Introduction}
\label{sec:introduction}
\begin{exointro}{Nouveau programme}
  On souhaite faire fondre une masse de fer $m=57$~kg.
  \begin{questions}
    \item Comment s'appelle ce changement d'état ? Écrire la
      transformation correspondante de manière symbolique.
    \item À quelle température doit-on porter la masse de fer pour que
      débute ce changement d'état~?
    \item Entre le moment où ce changement d'état débute et le moment où le fer est
      entièrement liquide, quelle quantité d'énergie $E$ a-t-on fourni
      au fer ? Donner le résultat en joule puis en kilowattheure.
    \item Au cours de cette transformation, comment évolue la
      température du mélange de fer solide et de fer liquide~?
  \end{questions}
  \emph{Données:}\\
  Température de fusion du fer: $1535\;^\circ$C\\
  Température de vaporisation du fer: $2750\;^\circ$C\\
  Énergie massique de fusion du fer: $2{,}07\times 10^5$~J.kg$^{-1}$\\
  Énergie massique de vaporisation du fer: $6{,}36 \times 10^6$~J.kg$^{-1}$
\end{exointro}


Cet exercice aborde la notion de transformation physique et les
transferts d'énergie associés.

\section{Rappel: les trois états de la matière}
Tout corps pur peut exister sous trois états différents: solide, 
liquide et gazeux. Lorsqu'on souhaite spécifier l'état dans lequel il
se trouve à côté de sa formule brute, on écrit une lettre entre
parenthèses à sa droite, ou un exposant sans parenthèse. Ainsi, l'eau
sous forme liquide peut se symboliser par $\rm H_2O(l)$ ou $\rm
H_2O^\mathrm{l}$. On utilise les lettres~s et~g pour symboliser
respectivement l'état solide et l'état gazeux.

Au niveau microscopique, les atomes ou molécules constituant un solide
sont dans des positions figées les unes par rapport aux autres. Il
existe entre elles des liaisons (dont le type dépend du solide
considéré) qui leur imposent de maintenir cette configuration figée.

Dans les liquides, les atomes ou molécules peuvent \og glisser \fg les
unes sur les autres: leur position par rapport à l'ensemble des autres
n'est plus imposée. On dit que le système est fluide. Toutefois, ils
restent proches les uns des autres, comme dans un solide. Leur
configuration reste \og compacte \fg, ce qui explique que les liquides
aient des masses volumiques comparables à celles des solides. On peut
dire qu'un système à l'état liquide est plus \og désordonné \fg qu'à l'état solide.

Enfin, dans les gaz, la vitesse d'agitation des atomes ou molécules
est telle qu'ils occupent tout l'espace disponible et se rencontrent
rarement entre eux. La masse volumique des gaz est considérablement
plus faible que celle des liquides ou solides. À l'instar des
liquides, les gaz sont aussi des fluides. On peut également remarquer
qu'un système à l'état gazeux est encore plus \og désordonné \fg qu'à
l'état liquide.

\section{Les changements d'état}
On parle de changement d'état lorsqu'un système, initialement dans
l'un des trois états mentionnés au paragraphe précédent, change
d'état. Il y a six possibilités au total. Chaque changement d'état
porte un nom, que l'on doit retenir. Ils sont résumés sur la figure
ci-après.
\enlargethispage*{4em}
\begin{center}
  \includegraphics{264_chgetat2}
\end{center}

Les changements d'état ont lieu, pour une pression extérieure donnée, à des températures bien précises qui
dépendent de la nature du corps pur et de la transformation
considérée. Pendant toute la durée de la transformation, la
température reste constante, et les deux phases du corps
coexistent. Ainsi, pendant la solidification de l'eau pure à pression
ambiante, on a un mélange d'eau et de glace, et la température du
milieu reste constante et égale à $0\;^\circ$C.

\begin{Remarques}
  \begin{itemize}
  \item  Nous mentionnerons dans un chapitre ultérieur, sur les 
  transformations nucléaires, la notion de réaction de fusion. Ceci 
  n'a \emph{absolument rien à voir} avec le changement d'état appelé 
  fusion (solide vers liquide) dont il est question ici. Le contexte 
  ne permet en général pas de doute entre les deux acceptions. 
\item Le mot fusion et le verbe associé \og fondre \fg sont souvent
  source de confusion, dans le langage courant, avec un autre
  phénomène qui n'est pas un changement d'état: la dissolution. On dit
  fréquemment, par exemple, que l'on \og fait fondre du sucre \fg dans
  du café. Cette expression est \emph{incorrecte}: on dissout le sucre dans
  le café. Notons qu'il est tout-à-fait possible de faire fondre (c'est-à-dire
  réaliser la fusion) du sucre (saccharose) en le portant à la
  température de $186\;^\circ$C, mais ce n'est probablement pas à ce
  phénomène que font allusion la plupart des personnes qui utilisent
  l'expression \og faire fondre du sucre\fg\ldots
  \end{itemize}
\end{Remarques}

\subsection{Écriture symbolique}

Pour écrire un changement d'état de manière symbolique, on indique la
formule brute du corps pur et son état physique initial, puis une
flèche vers la droite, et sa formule brute et son état physique
final. Ainsi, la fusion de l'eau s'écrit symboliquement de la manière
suivante:
\[\rm H_2O(s) \rightarrow H_2O(l)\]

\subsection{Interprétation microscopique}

Les changements d'état peuvent s'interpréter à l'échelle microscopique
en terme d'agitation des atomes ou molécules. Dans un solide, ceux-ci
vibrent autour de leur position moyenne (laquelle est imposée, ainsi
que nous l'avons vu). Lorsqu'on communique de l'énergie au solide,
l'amplitude de ces vibrations augmente, jusqu'au point où les liaisons
entre atomes ou molécules sont rompues: ils peuvent alors circuler
librement et le système passe à l'état liquide.

Si on continue d'apporter de l'énergie au système, on arrive à un
point où la vitesse d'agitation des atomes ou molécules du corps leur
permet de se séparer les unes des autres et d'explorer tout le volume
qui leur est permis: c'est le passage à l'état gazeux.

On voit ainsi que communiquer de l'énergie au système le fait passer
dans des états de plus en plus désordonnés.

\section{Transferts énergétiques}

Nous avons vu au paragraphe précédent que pour passer vers des états
plus désordonnés, il faut \emph{communiquer} de l'énergie au
système. Les changements d'état associés sont donc des transformations
endothermiques: le transfert d'énergie se fait de l'extérieur vers le système.

\begin{aretenir}
  La fusion, vaporisation et sublimation sont des transformations endothermiques.
\end{aretenir}

En revanche, pour passer vers des états plus ordonnés, il faut
extraire de l'énergie du système (à l'échelle microscopique, il faut
faire baisser les vitesses d'agitation des atomes ou molécules). Lors
des changements d'état associées, de l'énergie est donc transférée du
système vers l'extérieur: ce sont des transformations exothermiques.

\begin{aretenir}
  La solidification, liquéfaction et condensation sont des
  transformations exothermiques.
\end{aretenir}

La quantité d'énergie à fournir à un système pour le faire changer
d'état est proportionnelle à sa masse. Elle dépend de la nature du
corps et du type de transformation. L'énergie à fournir par unité de
masse du corps s'exprime, dans les unités du Système International, en
J.kg$^{-1}$. Elle porte le nom d'énergie massique de changement d'état
et est notée avec un $L$ majuscule.


\begin{aretenir}
  La quantité d'énergie à fournir à un système pour le faire changer
  d'état est égale à la quantité d'énergie qu'il libère quand il
  revient à son état initial.
\end{aretenir}

L'énergie $E$ fournie au système, ou reçue par celui-ci (selon que la transformation est endothermique ou exothermique) lors d'un changement d'état est $E=m\times L$, où $m$ est la masse du système.

\begin{Exemples}
  \begin{itemize}
  \item Ainsi, pour faire fondre $1{,}0$~kg de glace, il faut lui communiquer une 
énergie de $3{,}3\times 10^5$~J. Lorsque de l'eau liquide à 
$0\;^\circ$C gèle, elle libère une quantité d'énergie égale à 
$3{,}3\times 10^5$~J.  
\item De cet exemple nous déduisons que l'énergie massique de fusion
  de l'eau est $L_f=3{,}3\times 10^5$~J.kg$^{-1}$. La lettre $f$ en indice
  indique que l'on se réfère à la fusion.
  \end{itemize}
\end{Exemples}


\begin{solintro}
  \begin{questions}
    \item Ce changement d'état s'appelle la fusion. La transformation
      correspondante s'écrit symboliquement de la manière suivante:
      \[\rm Fe(s)\rightarrow Fe(l)\]
    \item Ce changement d'état a lieu à la température de fusion du
      fer, soit $\numprint{1535}\;^\circ$C. C'est la température à
      laquelle on doit porter le fer pour que débute le changement
      d'état.
    \item L'énergie à fournir au système est:
      \[E=mL_f=57\times 2{,}07\times 10^5=1{,}2\times 10^7\mbox{~J}\]
      Par ailleurs:
      \[1\mbox{~kWh}=3600\times 10^3=3{,}6\times 10^6\mbox{~J}\]
      donc
      \[E=\frac{1{,}2\times 10^7}{3{,}6\times 10^6}=3{,}3 \mbox{~kWh}\]

      \begin{Remarques}
        \begin{itemize}
        \item Nous gardons deux chiffres significatifs dans les
          résultats puisque c'est la précision avec laquelle est
          donnée la masse du fer.
        \item Les données de l'énoncé relatives à la vaporisation du
          fer étaient inutiles.
        \end{itemize}
      \end{Remarques}
  \end{questions}
\end{solintro}