Comme les états physiques dépendent des conditions de température, il est essentiel de savoir mesurer et interpréter la température, et de connaître les transformations qui font passer la matière d’un état à un autre.
I. Qu’est-ce que la température ?
La température est une grandeur physique qui indique à quel point un corps est chaud ou froid. Elle se mesure à l’aide d’un thermomètre et s’exprime, dans le système utilisé au collège, en degrés Celsius (°C). On la note généralement θ (thêta) ou T.
Le toucher seul ne permet pas de déterminer une température de façon fiable : deux objets à la même température peuvent sembler différemment chauds ou froids selon la matière qui les compose (le métal semble plus froid que le bois à température identique). Seul le thermomètre donne une mesure fiable de la température.
II. La chaleur et la température : deux notions différentes
La chaleur et la température ne désignent pas la même chose, même si on les confond souvent dans le langage courant. Un corps qui reçoit de la chaleur (par exemple en étant chauffé) voit généralement sa température augmenter ; un corps qui cède de la chaleur (en se refroidissant) voit sa température diminuer. La chaleur est donc ce qui provoque la variation de température, mais les deux grandeurs ne se mesurent pas de la même façon ni avec le même instrument.
III. Les changements d’état physique de la matière
Sous l’effet d’un apport ou d’une perte de chaleur, la matière peut changer d’état physique. On distingue six changements d’état, organisés en trois paires :
- Fusion (solide → liquide) et solidification (liquide → solide)
- Vaporisation (liquide → gaz) et liquéfaction (gaz → liquide)
- Sublimation (solide → gaz) et condensation (gaz → solide)
Les changements obtenus en chauffant (fusion, vaporisation, sublimation) font passer la matière vers un état où les particules sont plus libres ; les changements obtenus en refroidissant (solidification, liquéfaction, condensation) font l’inverse.
Exemple courant : l’eau fond (passe de solide à liquide) à 0 °C et bout (se vaporise) à 100 °C sous la pression atmosphérique normale. Pendant toute la durée d’un changement d’état (par exemple pendant que la glace fond), la température reste constante : on parle de palier de changement d’état, visible sur un graphique température-temps comme un segment horizontal.
IV. Interprétation à l’échelle des particules
Le modèle particulaire permet d’expliquer ce qui se passe pendant un changement d’état. Lorsqu’on chauffe un solide, les particules, d’abord compactes et ordonnées, reçoivent de l’énergie et se mettent à vibrer de plus en plus fort. Au moment de la fusion, cette agitation devient suffisante pour que les particules puissent glisser les unes sur les autres : le solide devient liquide, avec des particules proches mais désordonnées. En continuant à chauffer, l’agitation augmente encore jusqu’à ce que les particules puissent se séparer complètement : c’est la vaporisation, qui donne des particules très éloignées et très agitées (le gaz). Le refroidissement produit l’effet inverse : l’agitation diminue et les particules se rapprochent et se réorganisent.
V. Conservation de la masse et variation du volume
Lors d’un changement d’état, le nombre et la nature des particules ne changent pas : c’est toujours la même matière, seulement organisée différemment. C’est pourquoi la masse se conserve lors d’un changement d’état (la masse de glace fondue est égale à la masse d’eau liquide obtenue).
En revanche, le volume peut varier, car l’espacement entre les particules change. Cas particulier bien connu : l’eau qui gèle voit son volume augmenter d’environ 10 % (le volume de glace obtenu est plus grand que le volume d’eau liquide de départ), ce qui explique pourquoi une bouteille pleine d’eau placée au congélateur peut se fendre.
VI. Synthèse
La température se mesure avec un thermomètre (en °C) et ne doit pas être confondue avec la chaleur, qui la fait varier. La matière peut passer d’un état physique à un autre grâce à six changements d’état (fusion, solidification, vaporisation, liquéfaction, sublimation, condensation), que le modèle particulaire explique par la variation de l’agitation et de l’espacement des particules. Pendant un changement d’état, la masse se conserve toujours, mais le volume peut varier.
Exercice d’application
Exercice 1. Quel instrument permet de mesurer la température de façon fiable ? Pourquoi ne peut-on pas se fier uniquement au toucher ?
Exercice 2. Nomme le changement d’état correspondant à chacune des transformations suivantes : (a) solide → liquide ; (b) gaz → liquide ; (c) liquide → gaz ; (d) solide → gaz.
Exercice 3. À quelle température l’eau pure fond-elle ? À quelle température bout-elle, sous la pression atmosphérique normale ?
Exercice 4. Explique, à l’aide du modèle particulaire, ce qui se passe quand on chauffe un solide jusqu’à ce qu’il devienne liquide.
Exercice 5. Une masse de 50 g de glace fond entièrement. Quelle est la masse d’eau liquide obtenue ? Le volume d’eau liquide obtenu est-il plus grand, plus petit ou égal au volume de glace de départ ?
Corrigés
Corrigé 1. Seul le thermomètre permet de mesurer la température de façon fiable. Le toucher est trompeur car deux objets à la même température peuvent sembler plus ou moins froids ou chauds selon la matière qui les compose (par exemple le métal paraît plus froid que le bois à température égale).
Corrigé 2. (a) Fusion ; (b) Liquéfaction ; (c) Vaporisation ; (d) Sublimation.
Corrigé 3. L’eau pure fond à 0 °C et bout à 100 °C sous la pression atmosphérique normale.
Corrigé 4. En chauffant un solide, les particules, d’abord compactes et ordonnées, reçoivent de l’énergie et vibrent de plus en plus. Quand cette agitation devient suffisante, les particules peuvent glisser les unes sur les autres : le solide fond et devient un liquide, où les particules restent proches mais sont désormais désordonnées.
Corrigé 5. La masse se conserve lors d’un changement d’état : la masse d’eau liquide obtenue est donc de 50 g. Le volume d’eau liquide obtenu est plus petit que le volume de glace de départ (l’eau qui gèle augmente d’environ 10 % de volume, donc en fondant, ce volume diminue pour redevenir celui de l’eau liquide).
