Physique du primaire et du collège · Grades 1–9

21Fondre et bouillir : les changements d’état

Tu sais depuis des années que la chaleur fait fondre la glace et bouillir l’eau. Mais tu possèdes maintenant un thermomètre — et le thermomètre a quelque chose d’étonnant à rapporter du fond du seau de glace qui fond : pendant que la glace fond, la température refuse de bouger. Regardons les vieux changements d’état avec des yeux neufs.

21.1 Les noms savants

Les changements d’état de l’eau reçoivent maintenant leurs noms de grands, valables pour toutes les matières et pas seulement pour l’eau. Du solide au liquide : la fusion. Du liquide au solide : la solidification (on dit aussi congélation). Du liquide au gaz : l’ébullition quand cela se produit vite, avec de grosses bulles, et l’évaporation quand cela se produit tranquillement à la surface. Du gaz au liquide : la condensation. Toutes les matières du monde — l’eau, le chocolat, le fer, l’or — peuvent jouer à ce jeu, chacune à ses propres températures.

Définition 21.1 (Température de fusion)

La température de fusion d’une matière est la température à laquelle elle fond — et aussi celle à laquelle le liquide se solidifie de nouveau. Pour l’eau, elle vaut $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Chaque matière a la sienne : le chocolat fond vers $34\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (la température de la bouche — ce n’est pas un hasard, demande à un chocolatier), la cire de bougie vers $60\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , le fer seulement à $1538\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Définition 21.2 (Température d’ébullition)

La température d’ébullition d’une matière est la température à laquelle elle bout. Pour l’eau, elle vaut $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Là encore, chaque matière a la sienne — c’est pourquoi un cuisinier attentif peut faire s’évaporer toute l’eau pendant que l’huile de la même poêle reste tranquillement liquide.

Exemple 21.3 (Lire le monde avec deux nombres)

Pourquoi une tablette de chocolat est-elle solide sur l’étagère ( $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) mais liquide dans ta poche lors d’une randonnée d’été ( $35\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) ? Parce que sa température de fusion, proche de $34\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , se trouve entre les deux. Une matière est solide au-dessous de sa température de fusion, liquide au-dessus — et cela jusqu’à sa température d’ébullition, où elle s’en va sous forme de gaz. Deux nombres racontent toute l’histoire d’une matière à n’importe quelle température.

21.2 Le thermomètre têtu

Méthode 21.4 (Regarder fondre la glace comme il faut)

Remplir un saladier de glace pilée ou de neige et y planter le thermomètre ; attendre et lire : $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ;
apporter le saladier dans la cuisine chaude et lire le thermomètre toutes les quelques minutes pendant que la glace fond ;
continuer à lire longtemps après la disparition du dernier éclat de glace.

Le rapport : pendant toute la fusion — eau et glace ensemble dans le saladier — le thermomètre reste obstinément à $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Ce n’est que lorsque le dernier morceau de glace a fondu que la température se met à monter.

Proposition 21.5 (La loi du palier)

Pendant qu’une matière change d’état — qu’elle fond ou qu’elle bout — sa température reste immobile au repère, quel que soit le travail de la cuisinière. Toute la chaleur qui arrive est dépensée pour le changement d’état lui-même, et rien pour monter. Le solide et le liquide cohabitent à la température de fusion ; le liquide et le gaz, à la température d’ébullition.

Une casserole de glace sur une cuisinière régulière, racontée par le thermomètre : la température monte, s’arrête à 0\, C pendant que la glace fond, remonte, et s’arrête à 100\, C pendant que l’eau s’en va en bouillant. (La dernière montée rouge appartient à la vapeur.) — Une casserole de glace sur une cuisinière régulière, racontée par le thermomètre : la température monte, s’arrête à $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ pendant que la glace fond, remonte, et s’arrête à $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ pendant que l’eau s’en va en bouillant. (La dernière montée rouge appartient à la vapeur.)

Un bouillonnement à gros bouillons : des bulles de vapeur d’eau se forment dans le liquide et éclatent à la surface — et pendant tout ce temps, le thermomètre reste immobile à la température d’ébullition.

Exemple 21.6 (Le palier dans la cuisine)

Voilà pourquoi une eau qui frémit et une eau qui bout à gros bouillons cuisent les pâtes aussi vite : les deux casseroles sont exactement à $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — la seconde ne fait que gaspiller sa chaleur supplémentaire en fabriquant de la vapeur plus vite. Et voilà pourquoi une boisson avec des glaçons reste à $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ jusqu’au dernier éclat de glace : la glace qui fond cloue la température au repère.

Remarque 21.7 (Un nombre que l’œil ne peut pas voir)

Sans thermomètre, personne ne devinerait le palier : la casserole semble de plus en plus agitée, le seau de glace de plus en plus calme, et dans les deux la température ne bouge pas d’un pouce. C’est une victoire de plus de la mesure sur l’apparence — et l’une des premières grandes surprises que les instruments aient jamais offertes à la science.

21.3 Chaque matière garde ses repères

Proposition 21.8 (Les repères sont des marques d’identité)

La température de fusion et la température d’ébullition d’une matière pure ne changent jamais : l’eau fond à $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ aujourd’hui, demain, dans un palais ou sous une tente. Ces repères font partie de l’identité de la matière — si bien gardés qu’un scientifique peut reconnaître une matière inconnue en mesurant où elle fond et où elle bout.

Exemple 21.9 (La bougie et la fonderie)

Une bougie près de la cheminée s’affaisse et coule : la cire a dépassé sa température de fusion, proche de $60\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Dans une fonderie, des ouvriers versent du fer liquide orange incandescent comme de la soupe — leur four a dépassé $1538\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Même jeu, repères follement différents : ce que la cheminée fait à la cire, seul un four peut le faire au fer. Et l’or fond à $1064\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : les orfèvres connaissent ce nombre, dans leurs mains sinon en degrés, depuis des milliers d’années.

Les repères de quelques matières de tous les jours, en degrés Celsius (la droite est comprimée — le repère du fer se trouve vraiment quinze fois plus loin que celui de l’eau). Chaque matière porte ses propres nombres, toujours.

21.4 Exercices

Exercice 21.1 ★

Donne le nom savant : du solide au liquide ; du liquide au solide ; du liquide au gaz avec de grosses bulles ; du gaz au liquide sur une vitre froide.

Solution

Solution de Exercice 21.1.

La fusion ; la solidification (congélation) ; l’ébullition ; la condensation.

Exercice 21.2 ★

Quels sont les deux repères de l’eau, avec leurs températures ? Et celle de la fusion du chocolat, à peu près ?

Solution

Solution de Exercice 21.2.

Température de fusion $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , température d’ébullition $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Le chocolat fond vers $34\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — la température de la bouche.

Exercice 21.3 ★

Un saladier contient de la glace et de l’eau ensemble, bien mélangées. Qu’indique le thermomètre ? Qu’indiquera-t-il cinq minutes plus tard, s’il reste encore de la glace ?

Solution

Solution de Exercice 21.3.

$0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — et toujours $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ cinq minutes plus tard : tant que la glace et l’eau cohabitent, la température est clouée à la température de fusion.

Exercice 21.4 ★

Énonce la loi du palier. Où passe la chaleur de la cuisinière pendant que l’eau bout, puisque la température ne monte plus ?

Solution

Solution de Exercice 21.4.

Pendant qu’une matière fond ou bout, sa température reste immobile au repère. La chaleur est entièrement dépensée pour le changement d’état lui-même — transformer le liquide en vapeur — et non pour monter.

Exercice 21.5 ★

La cire fond vers $60\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Une bougie est-elle solide ou liquide : dans un salon à $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ? à côté d’une flamme qui la chauffe à $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ? dans un grenier d’été à $35\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?

Solution

Solution de Exercice 21.5.

Solide à $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (au-dessous de $60$ ) ; liquide à $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (au-dessus de $60$ ) ; encore solide à $35\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — alors qu’une tablette de chocolat dans une poche y aurait déjà fondu.

Exercice 21.6 ★

Les pâtes cuisent dans une eau qui bout doucement. Papa met le feu au maximum et la casserole bout à gros bouillons. L’eau est-elle plus chaude maintenant ? Que produit la chaleur supplémentaire à la place ?

Solution

Solution de Exercice 21.6.

Pas plus chaude : les deux casseroles sont à $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , le palier d’ébullition. La chaleur supplémentaire ne fait que fabriquer de la vapeur plus vite — du gaz gaspillé, les mêmes pâtes.

Exercice 21.7 ★

Sur le graphique du palier de ce chapitre, comment repérer les deux changements d’état sans lire un seul mot ?

Solution

Solution de Exercice 21.7.

Aux deux tronçons plats — les paliers. Partout où la courbe reste horizontale alors que la cuisinière continue de chauffer, un changement d’état est en cours.

Exercice 21.8 ★

Le fer fond à $1538\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et l’or à $1064\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Un four fonctionne à $1200\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : lequel des deux métaux y coule comme de la soupe, et lequel reste solide ? De combien de degrés le four manque-t-il l’autre ?

Solution

Solution de Exercice 21.8.

L’or ( $1064 < 1200$ ) coule ; le fer ( $1538 > 1200$ ) reste solide. Le four manque le repère du fer de $1538 - 1200 = 338$ degrés.

Exercice 21.9 ★

Pourquoi une boisson avec des glaçons reste-t-elle aussi froide jusqu’au dernier éclat de glace — et ne commence-t-elle à se réchauffer qu’ensuite ?

Solution

Solution de Exercice 21.9.

La glace qui fond cloue la boisson à $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : toute la chaleur qui arrive sert à faire fondre la glace, et rien à réchauffer la boisson. Ce n’est qu’une fois le dernier éclat disparu que la température peut se mettre à monter.

Exercice 21.10 ★★

Une scientifique reçoit un solide blanc inconnu. Elle trouve qu’il fond exactement à $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et que son liquide bout exactement à $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Quelle est sa meilleure hypothèse sur cette matière — et quelle loi permet aux repères de servir de carte d’identité ?

Solution

Solution de Exercice 21.10.

Sa meilleure hypothèse : la matière est de la glace — de l’eau gelée. La loi qui fait des repères des marques d’identité : les températures de fusion et d’ébullition d’une matière pure ne changent jamais ; retrouver exactement les deux nombres de l’eau vaut donc une signature.

Exercice 21.11 ★★

Des alpinistes racontent que, très haut sur les grands sommets, l’eau bout alors qu’elle est tout juste trop chaude pour qu’on y touche — et que leur thé n’infuse jamais correctement. Quelle certitude de tous les jours sur l’eau qui bout s’effondre là-haut ? (La raison se cache dans l’air lui-même, et un chapitre plus loin sur la pression de l’air la débusquera.)

Solution

Solution de Exercice 21.11.

La certitude que l’eau bout toujours à $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Très haut sur un sommet, elle bout bien au-dessous — chaude, mais pas à $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — si bien que l’eau « bouillante » est trop tiède pour faire infuser le thé. Le coupable est l’air raréfié, qui appuie moins sur l’eau, comme le montrera le chapitre sur la pression de l’air.

Termes définis dans ce chapitre

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