Par John Papiewski | Mis à jour le 24 mars 2022
Chaque matériau sur Terre subit des changements de phase prévisibles à mesure que la température et la pression varient. Au cœur de ces transitions se trouve l’équilibre entre l’énergie thermique et les forces intermoléculaires. Lorsque la chaleur fournit suffisamment d'énergie pour vaincre ces forces, une substance passe du solide au liquide puis au gaz, chaque état présentant des propriétés physiques distinctes.
En termes scientifiques, les solides, les liquides et les gaz sont appelés les trois phases primaires de la matière. Une transition de phase, telle que la fusion, la congélation, l'ébullition ou la condensation, se produit lorsqu'un matériau passe d'une phase à une autre. Chaque substance a ses propres points de fusion et d’ébullition caractéristiques, qui dépendent de sa structure moléculaire et de la pression environnante. Par exemple, la vapeur de dioxyde de carbone se transforme en neige carbonique (CO₂ solide) à –109 °F sous pression atmosphérique standard et ne forme un liquide que dans des conditions de haute pression.
Lorsqu’un solide est chauffé, sa température augmente jusqu’à atteindre le point de fusion. À cette température, la chaleur supplémentaire n'augmente pas la température mais est plutôt utilisée comme chaleur de fusion. briser le réseau du solide et le transformer en liquide. La température reste constante jusqu'à ce que tout l'échantillon ait fondu. Un processus similaire se produit lors de l'ébullition :la chaleur de vaporisation est nécessaire pour transformer le liquide en gaz, en maintenant la température stable jusqu'à ce que le changement de phase soit terminé.
La fusion est régie par la force des forces intermoléculaires, telles que les forces de dispersion de Londres et les liaisons hydrogène, qui maintiennent les molécules ensemble dans un réseau cristallin. Les matériaux soumis à des forces plus faibles ont des points de fusion plus bas; ceux qui ont des forces plus fortes nécessitent des températures plus élevées pour perturber le réseau. Lorsqu'une énergie thermique suffisante est fournie, toutes les molécules surmontent ces forces et passent à la phase liquide.
L’ébullition est la transition liquide-gaz qui se produit lorsque la pression de vapeur d’un liquide est égale à la pression atmosphérique environnante. À ce stade, les molécules gagnent suffisamment d’énergie cinétique pour s’échapper de la surface du liquide, formant ainsi des bulles de vapeur dans tout le liquide. À mesure que la température augmente, davantage de molécules atteignent le seuil d'énergie, augmentant ainsi le taux de formation de vapeur jusqu'à ce que le liquide soit entièrement vaporisé.