Notion
Un changement d'état (ou changement de phase) est une transformation physique au cours de laquelle un corps pur passe d'un état de la matière à un autre (solide, liquide, gaz). Sous une pression fixée, cette transition se produit à température constante tant que les deux phases coexistent.
Les six transitions usuelles : fusion (solide \(\rightarrow\) liquide) et solidification (retour) ; vaporisation (liquide \(\rightarrow\) gaz) et liquéfaction (retour) ; sublimation (solide \(\rightarrow\) gaz) et condensation solide (retour).
À pression constante, la chaleur échangée lors d'un changement d'état est égale à la variation d'enthalpie du système, appelée enthalpie de changement d'état (ou chaleur latente) :
\[ Q = n\,\Delta_{fus}H \quad \text{ou} \quad Q = m\,\ell_{fus} \]avec \(\Delta_{fus}H\) en \(\mathrm{J \cdot mol^{-1}}\) (grandeur molaire) et \(\ell_{fus}\) en \(\mathrm{J \cdot kg^{-1}}\) (grandeur massique), reliées par \(\ell_{fus} = \dfrac{\Delta_{fus}H}{M}\) où \(M\) est la masse molaire. Même écriture pour \(\Delta_{vap}H\) et \(\ell_{vap}\). Par loi de Hess, \(\Delta_{sub}H \approx \Delta_{fus}H + \Delta_{vap}H\) à la même température.
Par convention, les transitions endothermiques (fusion, vaporisation, sublimation) ont une enthalpie positive (\(\Delta H > 0\)) ; les transitions inverses (solidification, liquéfaction, condensation solide) sont exothermiques, de même valeur absolue : \(\Delta_{liq}H = -\Delta_{vap}H\).
Vigilance : l'enthalpie molaire tabulée est une grandeur intensive (indépendante de la quantité de matière), tandis que la chaleur échangée \(Q\) est extensive : oublier de multiplier par \(n\) (ou \(m\)) est une erreur classique. De même, ne pas confondre enthalpie molaire (\(\mathrm{J \cdot mol^{-1}}\)) et enthalpie massique (\(\mathrm{J \cdot kg^{-1}}\)) lors d'une application numérique.
Approfondissement (CPGE) : dans le diagramme \((P,T)\), la pente de la courbe d'équilibre entre deux phases est reliée à l'enthalpie de changement d'état par la formule de Clapeyron : \[ \dfrac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}T} = \dfrac{\Delta H_{1\to2}}{T\,\Delta V_{1\to2}} \] où \(\Delta V_{1\to2}\) est la variation de volume molaire lors du changement d'état. Elle explique par exemple la pente négative de la courbe de fusion de l'eau (\(V_{liquide} < V_{solide}\)).