La matière peut exister dans l’un de plusieurs états différents, y compris un état gazeux, liquide ou solide. La quantité d’énergie dans les molécules de matière détermine l’état de la matière.

• Un gaz est un état de la matière dans lequel les atomes ou les molécules ont suffisamment d’énergie pour se déplacer librement. Les molécules entrent en contact les unes avec les autres uniquement lorsqu’elles entrent en collision de manière aléatoire.
• Un liquide est un état de la matière dans lequel des atomes ou des molécules sont constamment en contact mais ont suffisamment d’énergie pour continuer à changer de position les uns par rapport aux autres.
• Un solide est un état de la matière dans lequel les atomes ou les molécules n’ont pas assez d’énergie pour se déplacer. Ils sont constamment en contact et dans des positions fixes les uns par rapport aux autres.

Voici les changements d’état:

• Si de la chaleur est ajoutée à une substance, par exemple lors de la fusion, de la vaporisation et de la sublimation, le processus est endothermique. Dans ce cas, la chaleur augmente la vitesse des molécules qui les font se déplacer plus rapidement (exemples: solide à liquide; liquide à gaz; solide à gaz).
• Si la chaleur est éliminée d’une substance, par exemple lors de la congélation et de la condensation, le processus est exothermique. Dans ce cas, la chaleur diminue la vitesse des molécules qui les ralentissent (exemples: liquide à solide; gaz à liquide). Ces changements libèrent de la chaleur dans l’environnement.
• La quantité de chaleur nécessaire pour changer un échantillon de solide en liquide serait la même pour passer du liquide au solide. La seule différence est la direction du transfert de chaleur.

Exercice \(\PageIndex{1}\)

Étiquetez chacun des processus suivants comme endothermique ou exothermique.

1. condensation de vapeur d’eau
2. fusion de l’or

Réponse

a.exothermique

b.

Un changement de phase est un processus physique dans lequel une substance passe d’une phase à une autre. Habituellement, le changement se produit lors de l’ajout ou de l’élimination de la chaleur à une température particulière, connue sous le nom de point de fusion ou de point d’ébullition de la substance. Le point de fusion est la température à laquelle la substance passe d’un solide à un liquide (ou d’un liquide à un solide). Le point d’ébullition est la température à laquelle une substance passe d’un liquide à un gaz (ou d’un gaz à un liquide). La nature du changement de phase dépend de la direction du transfert de chaleur. La chaleur qui pénètre dans une substance la fait passer d’un solide à un liquide ou d’un liquide à un gaz. L’élimination de la chaleur d’une substance transforme un gaz en liquide ou un liquide en solide.

Deux points clés méritent d’être soulignés. Premièrement, au point de fusion ou d’ébullition d’une substance, deux phases peuvent exister simultanément. Prenez l’eau (H2O) comme exemple. Sur l’échelle Celsius, H2O a un point de fusion de 0 ° C et un point d’ébullition de 100 ° C. À 0 ° C, les phases solide et liquide de H2O peuvent coexister. Cependant, si de la chaleur est ajoutée, une partie de l’H2O solide fondra et se transformera en H2O liquide. Si la chaleur est éliminée, c’est le contraire qui se produit: une partie du H2O liquide se transforme en H2O solide. Un processus similaire peut se produire à 100 ° C: l’ajout de chaleur augmente la quantité de H2O gazeux, tandis que l’élimination de la chaleur augmente la quantité de H2O liquide (Figure\(\PageIndex{1}\)).

Deuxièmement, comme le montre la figure \(\PageIndex{1}\), la température d’une substance ne change pas lorsque la substance passe d’une phase à l’autre. En d’autres termes, les changements de phase sont isothermes (isotherme signifie « température constante”). Encore une fois, considérez H2O comme un exemple. L’eau solide (glace) peut exister à 0 ° C. Si de la chaleur est ajoutée à la glace à 0 ° C, une partie du solide change de phase pour devenir liquide, qui est également à 0 ° C. Rappelez-vous, les phases solide et liquide de H2O peuvent coexister à 0 ° C. Ce n’est qu’après que tout le solide a fondu en liquide que l’ajout de chaleur modifie la température de la substance.

Pour chaque changement de phase d’une substance, il existe une quantité caractéristique de chaleur nécessaire pour effectuer le changement de phase par gramme (ou par mole) de matériau. La chaleur de fusion (ΔHfus) est la quantité de chaleur par gramme (ou par mole) nécessaire pour un changement de phase qui se produit au point de fusion. La chaleur de vaporisation (ΔHvap) est la quantité de chaleur par gramme (ou par mole) nécessaire pour un changement de phase qui se produit au point d’ébullition. Si vous connaissez le nombre total de grammes ou de moles de matériau, vous pouvez utiliser le ΔHfus ou le ΔHvap pour déterminer la chaleur totale transférée pour la fusion ou la solidification en utilisant ces expressions:

\

où \(n \) est le nombre de moles et \(ΔH_{fus}\) est exprimé en énergie / mole ou

\

où \(m \) est la masse en grammes et \(ΔH_{fus} \) est exprimée en énergie/gramme.

Pour l’ébullition ou la condensation, utilisez ces expressions:

\

où \(n\) est le nombre de moles) et \(ΔH_{vap}\) est exprimé en énergie / mole ou

\

où \(m\) est la masse en grammes et \(ΔH_{vap}\) est exprimé en énergie / gramme.

Rappelez-vous qu’un changement de phase dépend de la direction du transfert de chaleur. Si la chaleur y est transférée, les solides deviennent des liquides et les liquides deviennent des solides aux points de fusion et d’ébullition, respectivement. Si la chaleur se transfère, les liquides se solidifient et les gaz se condensent en liquides. À ces points, il n’y a pas de changements de température comme le reflètent les équations ci-dessus.

Le tableau \(\PageIndex{1}\) répertorie les chaleurs de fusion et de vaporisation de certaines substances courantes. Notez les unités sur ces grandeurs; lorsque vous utilisez ces valeurs dans la résolution de problèmes, assurez-vous que les autres variables de votre calcul sont exprimées en unités cohérentes avec les unités des chaleurs spécifiques ou des chaleurs de fusion et de vaporisation.