Les changements d'état : cours de physique-chimie CAP

Tu le vois tous les jours sans y penser. Un glaçon posé sur la table devient une flaque. Une casserole d'eau chauffée se couvre de buée sous le couvercle. Une vitre froide se recouvre de gouttelettes quand tu souffles dessus. À chaque fois, une même matière passe d'une forme à une autre : c'est un changement d'état.

Ce chapitre vient juste après celui sur la température et la chaleur. Tu y as appris à mesurer une température et à distinguer ce mot de celui de chaleur. Ici, on s'en sert pour répondre à trois questions très concrètes :

• Quels sont les états de la matière et comment les reconnaître ?
• Comment s'appellent les passages d'un état à l'autre, et dans quel sens vont-ils ?
• Que se passe-t-il sur le plan de l'énergie, de la masse et du volume ?

Le programme de physique-chimie du CAP demande de savoir décrire la constitution et les états de la matière, et d'identifier les transferts d'énergie ¹. Dans les métiers, ces notions servent partout : cuisine et pâtisserie (fondre du chocolat, faire un sirop), froid et climatisation, coiffure et esthétique (cires et produits chauffés), mécanique (liquides qui bouillent dans un circuit), bâtiment (eau qui gèle dans les canalisations).

Pour distinguer les états, on observe trois choses : la forme, le volume et la possibilité de couler ou de se comprimer.

• Un solide garde sa forme propre. Tu peux le tenir dans la main : un glaçon, une barre de métal.
• Un liquide n'a pas de forme propre. Il prend la forme du récipient qui le contient, mais son volume reste à peu près le même. L'eau du robinet dans un verre en est l'exemple le plus simple.
• Un gaz n'a ni forme propre ni volume propre. Il occupe tout l'espace disponible. La vapeur d'eau et l'air en sont des exemples.

Et si on regardait de très près ? Toute la matière est faite de particules minuscules. Ce que tu vois à l'échelle de ta main (on dit macroscopique) s'explique par ce qui se passe à une échelle beaucoup plus petite (on dit microscopique). Le programme demande justement d'interpréter les changements d'état à cette échelle microscopique ⁵.

Le programme demande de connaître le nom des quatre changements d'état et leur définition ². Une fiche de travail de l'Académie de Lyon rappelle notamment trois de ces noms : la solidification, la liquéfaction et l'évaporation ⁶. Voici le tableau complet, avec le sens de chaque passage.

Remarque sur le vocabulaire : on parle d'évaporation quand le liquide s'échappe doucement vers l'air, par exemple une flaque qui disparaît. On parle plutôt d'ébullition quand le liquide bout et que des bulles de vapeur se forment dans toute sa masse. Dans les deux cas, le liquide devient gaz.

Pour ne pas te tromper de sens, un moyen simple : deux noms disent directement l'état d'arrivée. La solidification donne un solide ; la liquéfaction donne un liquide. Les deux autres sont à retenir par cœur : la fusion fait passer de solide à liquide, l'évaporation de liquide à gaz.

Pourquoi un glaçon fond-il sur la table, alors qu'il reste solide dans le congélateur ? Parce que la pièce est plus chaude que lui et lui cède de l'énergie. Le programme l'énonce clairement : un changement d'état demande un transfert thermique sous forme de chaleur ¹. Autrement dit, la matière doit recevoir de l'énergie ou en perdre pour changer d'état ¹.

Au niveau microscopique, la chaleur reçue sert à éloigner les particules les unes des autres ou à les libérer de leur place. Dans un solide, elles restent serrées et ne font que de petits mouvements autour d'une position. En chauffant, on leur donne assez d'énergie pour glisser les unes sur les autres : le solide devient liquide. En chauffant encore, elles s'écartent largement et se déplacent dans tout l'espace : le liquide devient gaz.

Le chemin inverse suit la même logique. Pour qu'un gaz se liquéfie, il faut lui retirer de l'énergie : c'est pour cela que la vapeur d'eau se transforme en gouttes sur une surface froide. La surface froide prend de l'énergie à la vapeur.

Le programme propose d'étudier par l'expérience comment évolue la température d'un corps pur lors d'un changement d'état ¹. Le protocole classique est simple :

1. Mettre de la glace pilée dans un bécher avec un thermomètre.
2. Chauffer doucement, de façon régulière.
3. Relever la température à intervalles réguliers (par exemple toutes les 30 secondes).
4. Reporter les points sur un graphique : le temps en abscisse, la température en ordonnée.

Une ressource d'Éduscol présente d'ailleurs ce type d'activités : mesurer la température au cours du temps puis tracer le graphique correspondant ³.

À quoi sert de connaître cette température ? Elle est propre à chaque corps pur, dans des conditions données. Le programme propose donc de s'en servir pour identifier des corps ⁵. Si un échantillon inconnu fond toujours à la même température que celle d'une substance connue, c'est un indice sérieux qu'il s'agit de cette substance. Par exemple, un laboratoire peut vérifier qu'un liquide est bien de l'eau pure en contrôlant qu'il gèle à 0 °C.

Lors d'un changement d'état, une question revient toujours : l'eau pèse-t-elle plus lourd quand elle gèle ? Les expériences sur la conservation de la masse lors des changements d'état font partie de ce que l'on étudie dès l'école et au collège ⁴. La réponse est non.

Puisque la masse reste constante et que le volume change, la masse volumique change aussi : $\rho = \dfrac{m}{V}$. Si le volume augmente avec la même masse, $\rho$ diminue. La masse volumique permet aussi de distinguer des matériaux entre eux ⁵.

Les changements d'état ne sont pas réservés au laboratoire. Le cycle de l'eau en est le plus grand exemple : l'eau des océans s'évapore, la vapeur se liquéfie en nuages, puis l'eau retombe ; dans les régions froides, elle se solidifie. Les ressources officielles citent d'ailleurs l'étude des océans, avec la solidification, l'évaporation et le cycle de l'eau, parmi les situations à exploiter en classe ⁴.

Une activité académique propose aussi de suivre une glace parfumée au sirop et de se demander quels changements elle peut subir si on la chauffe ou si on la refroidit ⁶. C'est un bon réflexe pour toi : face à une situation, demande-toi toujours « quel est l'état de départ, quel est l'état d'arrivée, la substance reçoit-elle ou perd-elle de la chaleur ? ».