Changement d'état
Changement de phase
L'augmentation de chaleur peut produire un autre phénomène : le changement de phase.
Pour une substance, il existe trois phases :
la phase solide,
la phase liquide,
la phase gazeuse.
Dans certaines conditions favorables, de pression et de température, auxquelles elle est soumise, une phase peut se transformer en une autre.
Ces transformations portent des noms :
Le changement de phase se produit à température constante.
La chaleur reçue ou perdue par la matière ne change pas sa température ; elle change son état.
A ces conditions, ce sont les distances entre particules qui sont affectées.
les solides ont des structures atomiques très raides et figées,
les liquides ont des structures moléculaires désordonnées et denses,
les gaz ont des structures moléculaires désordonnées et peu denses.
Les apports ou les pertes de chaleur figent ou désordonnent donc les atomes et les molécules, selon que la matière, respectivement, perd de la chaleur ou en gagne.
Lorsque toute la matière s'est transformée d'une phase à l'autre, toute variation de chaleur entraîne à nouveau une variation de température dans la substance.
Exemple : Conservation du poisson sur un étal de marché
Les poissonniers placent les poissons à vendre sur des lits de glace.
La glace est chauffée par l'air ambiant, plus chaud.
L'air tend à faire fondre la glace qui est la forme solide de l'eau.
La fonte de la glace est appelée par les scientifiques "fusion de l'eau".
A la pression atmosphérique au niveau de la mer, la fusion de l'eau, la fonte de la glace, s'effectue à température constante : 0°C.
Tant qu'il reste de la glace sur l'étal, tant qu'elle se transforme, même si une partie est déjà devenue de l'eau, elle reste, et tout ce qui est à son contact, à 0°C.
Le poisson est donc conservé à cette température...
Si toute la glace fondait, les poissons serait dans l'eau, la fusion serait terminée, l'eau s'échaufferait alors au contact de l'air et n'assurerait plus la conservation du poisson.
Changement d'état
Les changements de phases sont décrits par les physiciens dans des contextes très restrictifs.
Ils s'intéressent aux substances pures, contenues dans des réservoirs fermés, soumis à des températures et des pressions contrôlées avec une grande précision.
L'existence des différentes phases résulte d'équilibres entre elles dans ces enceintes.
Dans la vie courante, dans le cadre de la construction et l'usage des ouvrages, la substance condensable la plus fréquemment rencontrée est l'eau.
Cette substance n'est pas seule et unique alors, et elle est intimement mélangée à l'air ambiant, ou en contact avec lui, et ce, à la pression atmosphérique.
Lorsque la substance condensable n'est plus seule, on ne parle plus de changement de phases, mais de changement d'état.
La terminologie est alors un peu différente de celle employée par les physiciens, pour ce qui concerne les changements liquide-gaz.
En particulier, la "vaporisation" est remplacée par l'"évaporation" de la substance dans le milieu récepteur, l'air très souvent.
La "liquéfaction" est remplacée par la "condensation", qu'il faudra distinguer de la condensation solide. On pourra l'appeler "condensation liquide".
Comme les changements de phase, les changements d'état se produisent à température constante.
Exemple : Le brouillard
Tout le monde connaît le phénomène du brouillard. D'où vient-il, quelle est sa nature physique ?
L'air qui nous entoure n'est jamais totalement sec, à quelques rares exceptions près. Cela signifie qu'il contient toujours de l'eau sous forme de vapeur d'eau. On dit que l'air est humide, on parle d'air humide.
La capacité de l'air humide à contenir de la vapeur d'eau n'est pas infinie et dépend de sa température. L'air chaud peut contenir plus de vapeur d'eau que l'air froid.
Lorsque la vapeur d'eau est en excès dans l'air, cet excès condense. La vapeur d'eau en trop se change en eau liquide.
En quelque sorte il n'y a plus assez de place pour que l'eau se maintiennent sous forme de vapeur, la vapeur en surplus se change en eau.
Le corollaire est qu'à une quantité de vapeur d'eau donnée contenue dans l'air à une température donnée, refroidir cet air peut conduire à la condensation d'une partie de cette vapeur d'eau par le simple fait que l'air froid est moins capable de contenir de la vapeur d'eau que l'air chaud.
Si la capacité maximale de l'air refroidi à contenir de la vapeur d'eau est inférieure à la quantité de vapeur contenue dans l'air initialement chaud, alors le surplus condense.
Le brouillard est le résultat visuel de cette condensation. Les nuages aussi, la buée sur une vitre également.
Le brouillard se déclenche souvent près des points d'eau, des rivières, là où l'air est très humide, le soir et la nuit lorsque l'air est refroidi faute du soleil de la journée. Le matin l'air se réchauffe à nouveau, les gouttelettes de brouillard s'évaporent alors dans cet air qui peut contenir plus de vapeur d'eau parce qu'il s'échauffe...
Attention : Chaleur latente
La chaleur qui permet de réaliser un changement d'état s'appelle "chaleur latente".
Elle est latente au sens où il est toujours possible de la mobiliser en faisant changer l'état de la matière en sens inverse.
