Leçons de niveau 11

Données de physique utilisées en biologie/Les changements d'états

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Les changements d'états
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Chapitre no 5
Leçon : Données de physique utilisées en biologie
Chap. préc. :L'agitation moléculaire
Chap. suiv. :La diffusion
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Les changements d'état peuvent s'expliquer par l'agitation moléculaire ou tout au moins l'état vibratoire des molécules.

Les changements d'état par augmentation du niveau d'énergie[modifier | modifier le wikicode]

Dans un solide, le niveau d'énergie détermine une tendance vibratoire des molécules, mais les liaisons qui les maintiennent entre elles, s'y opposent. Si le niveau d'énergie du système augmente, la tendance vibratoire peut atteindre le palier permettant la rupture des liaisons : c’est la fusion c'est-à-dire le passage de l'état solide à l'état liquide. En augmentant le niveau d'énergie du liquide, l'agitation moléculaire augmente et peut atteindre le palier permettant au moins à certaines molécules de dégager un espace autour d'elles : c’est la vaporisation c'est-à-dire le passage de l'état liquide à l'état gazeux.

Lors de ces changements d’état, l’énergie reçue par le système est utilisée pour rompre les liaisons de la partie solide et maintenir l’agitation moléculaire de la partie liquide dans le cas de la fusion ou est utilisée pour que l’agitation des molécules encore liquides augmente pour qu’elles passent à l’état gazeux en dégageant de l’espace autour d’elles et pour maintenir l’agitation moléculaire de la partie gazeuse.

Si de la glace reçoit de la chaleur, elle fond en surface : ce sont les molécules de la surface qui reçoivent la chaleur et qui ont le moins de liaisons avec les autres molécules puisque du côté externe il n’y a pas de molécules liées avec elles, ce qui va leur permettre de se libérer plus facilement. Leur départ de la glace met en surface une autre couche de molécules qui vont fondre à leur tour, etc. Un mélange eau / glace se constitue. Comme l’énergie reçue par le mélange est entièrement utilisée pour la libération des molécules d’eau, la température du système ne change pas tant qu’il restera de la glace c’est-à-dire tant qu’il y aura un mélange eau / glace. Cette température maintenue pendant la fusion de l’eau est le 0 °C (lire zéro degré Celsius). De façon similaire, lors de la vaporisation, l’intégralité de la chaleur fournie au système est utilisée pour augmenter l’agitation moléculaire dans la part liquide pour que des molécules d’eau se dégagent un espace autour d’elles et pour le maintien de l’agitation moléculaire de la partie gazeuse. Il y a là aussi, une constance de la température tant qu’il reste de l’eau c’est-à-dire tant qu’il y aura un mélange vapeur / eau. Cette température maintenue lors de la vaporisation de l’eau est le 100 °C. Ayant défini ces deux valeurs de température, en divisant par 100 l’espace thermique entre elles, le °C est défini.

Les molécules d’eau ont la possibilité de se lier entre elles du fait de leur caractère bipolaire dû à la position des deux électrons mis en commun avec les hydrogènes et qui sont plus éloignés du noyau d'oxygène. Ces liaisons dites hydrogène permettent aux molécules d’eau de se déplacer les unes par rapport aux autres en restant en contact les unes avec les autres et même en restant liées entre cellules voisines. En surface, ces liaisons donnent une cohésion à la couche de molécules d’eau de surface : cette particularité du film de surface de l’eau est la tension superficielle de l’eau. Cette dernière est mise à profit par des organismes légers pour se déplacer à la surface de l’eau.

En profondeur les molécules d’eau, associées à d’autres tout autour d’elles devront disposer d’une énergie d’agitation importante pour vaporiser c’est-à-dire se dégager un espace autour d’elles et cela d’autant plus qu’elles sont profondes car la pression de la colonne d’eau (le poids) qui les surmonte et qui tend à les maintenir au contact les unes des autres.

Ce sont les molécules de surface qui sont les moins liées aux autres (d’un coté seulement) et qui subissent la plus faible pression donc qui pourront le plus facilement se dégager un espace et donner de la vapeur. Ce passage d’eau sous forme de vapeur qui ne concerne que la surface et qui se fait à des températures inférieures à 100 °C, est l’évaporation.

Mais pourquoi y a t-il ébullition ? Ce phénomène est dû à l’apparition de vapeur au sein de l’eau voire au fond de l’eau. En fait, la vapeur apparaît à proximité de la source de chaleur : la résistance électrique pour les bouilloires électriques pouvant être au centre du liquide, ou le fond de la casserole d’eau sur le feu. La densité de la vapeur étant plus faible que celle de l’eau, les bulles de vapeur se déplacent vers la surface où elles vont éclater pour libérer la vapeur. Tous ces mouvements correspondent à une brassage de la masse d’eau par les bulles de vapeur constituent l’ébullition.

Les changements d'état par diminution du niveau d’énergie[modifier | modifier le wikicode]

La perte d’énergie des gaz par refroidissement entraîne une diminution de leur agitation moléculaire et, à un niveau d’énergie, les molécules ne présentent plus d’espaces entre elles : l’état liquide est obtenu. Ce passage de l’état gazeux à l’état liquide est la liquéfaction. Pour l’eau, le passage de la vapeur à l'eau à des températures inférieures à 100 °C, est la condensation : c’est le phénomène inverse de l'évaporation.

La perte d’énergie des liquides par refroidissement entraîne une diminution de leur agitation moléculaire et, à un niveau d’énergie, les molécules pourront s’associer entre elles : l’état solide est retrouvé. Ce passage de l’état liquide à l’état solide est la solidification. Lors de la liquéfaction, le mélange eau / vapeur conserve la même température de 100 °C et lors de la solidification, le mélange eau / glace conserve la même température de 0 °C.

Lors de la solidification, l'eau forme des aiguilles de glace qui sont des petits éléments solides allongés. Dans certaines conditions, ces aiguilles de glace s'associent en des structures étoilées et ramifiées : ce sont les flocons. Dans les accumulations de neige (névés), le poids des couches supérieures exerce une pression qui désorganisent les flocons : les aiguilles qui formaient l'architecture des flocons se disposent parallèlement (perpendiculairement à la direction de la pression), se serrent les unes contre les autres pour donner de la glace. C'est ainsi que les névés donnent des glaciers.

Lorsque l'eau gèle, sa température s'abaissant, les gaz qu'elle contenait en solution passent sous forme de bulles gazeuses qui se retrouvent piégées dans la glace. Comme ces gaz prennent plus de place sous forme gazeuse que sous forme de solution, le volume de la glace est plus important que le volume de l'eau dont elle est issue mais la masse reste la même : la masse volumique de la glace est donc inférieure à celle de l'eau, la densité de la glace est inférieure à un (la densité de l'eau est de 1) et, donc, la glace flotte.

L'eau de mer ne gèle pas. La baisse de la température de l'eau en surface, entraîne une baisse de sa salinité (les sels se concentrent en profondeur) et c’est de l'eau douce qui gèle à la surface. Sur cette glace (douce mais on ne le dit pas puisque l'eau de mer ne gèle pas), des accumulations de neige pourront augmenter le volume de glace : la glace de la calotte glaciaire arctique a une double origine.

En mélangeant de la glace et du sel (chlorure de sodium), la température de fusion (ou de solidification) s'abaisse : au mieux selon la constitution du mélange, elle s'abaisse jusqu'à -23 °C. Ce mélange est un mélange réfrigérant qui a été utilisé pour fabriquer les premiers sorbets alors que les réfrigérateurs n'existaient pas encore. Les glacières étaient des puits dans lesquels on entassait de la neige ou de la glace issue des glaciers que l’on fermait bien à la fin de la collecte. Pendant la période estivale, on bénéficiait ainsi d'une réserve de glace (même si une partie avait fondue) qui broyée et mélangée à du sel constituait le mélange réfrigérant pour refroidir suffisamment les bacs métalliques contenant les mélanges à la base des sorbets : bien entendu ce n'était pas la glace stockée (souvent souillée) qui était consommée.

L'ajout de sel à la neige, abaisse le point de fusion / solidification de quelques degrés Celsius. Si la température est inférieure à ce point, le dégel n'a pas lieu. Si par contre du sel a été déversé avant la chute de neige ou de la formation du verglas, cela permettra de retarder (attendre le temps nécessaire au refroidissement de l'atmosphère et du mélange) la formation de glace.

À l'aube, il y a une petite chute de la température atmosphérique et si l'atmosphère est suffisamment chargée en vapeur, une fraction de la vapeur se condense pour donner la rosée. Cette petite baisse de température à l'aube est le point de rosée.

Influence de la pression sur les changements d'état[modifier | modifier le wikicode]

L’augmentation de la pression d’un gaz réduit les espaces entre ses molécules. Si la pression est suffisante, les molécules se retrouvent au contact les unes des autres et l’état liquide est obtenu. La liquéfaction d’un gaz peut être obtenue par compression. Au cours de la compression, l’énergie du système utilisée par l’agitation moléculaire pour maintenir l’état gazeux devient moindre et une part de cette énergie se disperse sous forme de chaleur : lors de leur compression, les gaz libèrent de la chaleur.

Lors du gonflage d’un pneu de bicyclette, l’embout de la pompe et la valve s’échauffent au fur et à mesure que la pression de l’air augmente.

Si la pression chute, les molécules peuvent s’écarter les unes des autres et utiliseront plus d’énergie pour l’agitation moléculaire à partir de la chaleur du système. La vaporisation d’un gaz ou détente d’un gaz entraîne une consommation de chaleur.

Un phénomène comparable est obtenu quand un liquide sous pression fuse au travers d’un petit trou (buse ou gicleur) de l’enceinte sous pression dans un espace de pression moindre. Le liquide fuse sous forme de fines voire très fines gouttelettes. La vaporisation à leur surface est intense et les molécules « pompent » de la chaleur autour d’elle pour assurer l’agitation moléculaire gazeuse.

Cela explique pourquoi les sprays donnent une sensation de froid sur la peau quand on les utilise et l’effet rafraîchissant des brumisateurs.

Ce procédé de vaporisation forcée est utilisé pour la réfrigération au niveau du freezer (enceinte close dans laquelle fuse un liquide) pour les réfrigérateurs et pour les pompes à chaleur. L’aspiration du gaz obtenu et sa liquéfaction par compression par le compresseur libère de la chaleur en fait la chaleur prise au niveau du freezer. Un tel système prélève de la chaleur au niveau de la vaporisation et la restitue au niveau de la liquéfaction.

La compression des liquides ne joue pas sur le volume puisque les molécules sont au contact les unes des autres, par contre elle réduit l’agitation moléculaire et s’accompagne de la libération de chaleur. Mais il faudrait des pressions considérables pour obtenir une solidification.

La compression des solides libère de la chaleur. Si la pression sur un solide augmente brusquement les liaisons entre les molécules peuvent se rompre et le solide casse. Si la pression augmente lentement, le solide s’échauffe et peut atteindre une température suffisante pour qu’il devienne déformable. Les solides froids sont cassants et les solides suffisamment chauds sont déformables.

En Géologie, cela explique que les contraintes dans la croûte terrestre peuvent quand elles s’installent rapidement provoquer la formation de failles (fracture des roches) dans la croûte terrestre ou quand elles s’installent lentement provoquer la formation de plis (déformation des roches).