États de la matière et masse volumique

États de la matière et masse volumique

La même eau peut être de la glace, de l'eau liquide ou de la vapeur. Comment décrire ces trois états ? Et comment mesurer une grandeur, la masse volumique, qui permet d'identifier un matériau et même d'expliquer pourquoi le niveau des océans s'élève ?

À la fin de ce chapitre, tu sauras :

caractériser les trois états (solide, liquide, gaz) à l'échelle macroscopique et microscopique ;

nommer les six changements d'état et expliquer la conservation de la masse ;

calculer une masse volumique avec ρ = m/V et identifier un matériau ;

expliquer pourquoi le niveau des océans s'élève avec le réchauffement climatique.

Les trois états de la matière

À l'échelle macroscopique, la matière se présente sous trois états physiques. À l'échelle microscopique, on les modélise par la disposition des particules (atomes, molécules ou ions).

Trois propriétés caractéristiques Solide : forme propre, volume propre.

Liquide : pas de forme propre (épouse le récipient), volume propre.

Gaz : pas de forme propre, occupe tout le volume disponible.

Les six changements d'état

Le passage d'un état à un autre s'appelle un changement d'état. Il en existe six, regroupés en trois couples opposés.

Solide → Liquide fusion Liquide → Gaz vaporisation Solide → Gaz sublimation Liquide → Solide solidification Gaz → Liquide liquéfaction Gaz → Solide condensation Exemples du quotidien

La rosée du matin : liquéfaction de la vapeur d'eau de l'air. Le givre : condensation. Une glace qui fond : fusion. La neige carbonique (CO₂ solide) qui « disparaît » : sublimation.

Conservation de la masse, variation du volume

Loi de conservation de la masse Lors d'un changement d'état, la masse du corps ne change pas. En revanche, le volume varie : ce sont les mêmes particules, mais leur arrangement change.

Exemple : 1 kg d'eau 1 kg de glace fond → 1 kg d'eau liquide → en vaporisant → 1 kg de vapeur.

Le volume change 1 kg de glace occupe 1,09 L, puis 1 kg d'eau liquide occupe 1,00 L, puis 1 kg de vapeur occupe environ 1 700 L à 100 °C.

L'eau, une exception Pour la plupart des corps purs, le volume diminue en passant du liquide au solide. L'eau fait l'inverse : la glace occupe plus de place que l'eau. C'est pourquoi un glaçon flotte.

La masse volumique : ρ = m / V

Masse volumique La masse volumique d'un matériau, notée ρ (lettre grecque « rho »), est la masse contenue dans une unité de volume : ρ = (m)/(V) Astuce de conversion

1 g/mL = 1 g/cm³ = 1 000 kg/m³. L'eau pure a une masse volumique d'environ 1 g/mL, soit 1 000 kg/m³.

Comment mesurer ρ au laboratoire

Pour un liquide ou un solide, on mesure indépendamment sa masse m et son volume V, puis on calcule.

Liquide Peser une éprouvette graduée vide → masse m₀.

Verser un volume V du liquide (lecture à hauteur d'œil).

Peser à nouveau → masse m₁.

Masse du liquide : m = m₁ − m₀.

Calculer ρ = m/V.

Solide (qui coule) Peser l'objet sur une balance → masse m.

Remplir partiellement une éprouvette avec de l'eau → volume V₀.

Plonger l'objet entièrement → nouveau volume V₁.

Volume de l'objet : V = V₁ − V₀.

Calculer ρ = m/V.

Identifier un matériau grâce à ρ

Chaque matériau a une masse volumique caractéristique. En la mesurant, on peut identifier un échantillon inconnu.

Flotter ou couler ?

Un objet flotte sur un liquide si ρobjet < ρliquide. Le bois (ρ = 0,75 g/cm³) flotte sur l'eau (ρ = 1,00 g/cm³). L'huile d'olive (ρ = 0,92 g/cm³) flotte aussi : c'est pourquoi une vinaigrette se sépare en deux couches.

Influence de la température : ρ et climat

La masse volumique d'un corps diminue lorsque sa température augmente (sauf cas particulier comme l'eau entre 0 et 4 °C). C'est le phénomène de dilatation thermique : à masse constante, le volume augmente.

Pourquoi ?

Quand on chauffe, les particules s'agitent davantage et s'éloignent les unes des autres. Le volume augmente donc, alors que la masse reste la même. ρ = (m)/(V) → ρ diminue.

Conséquence : montée du niveau des océans Le réchauffement climatique chauffe les océans. À cause de la dilatation thermique, le volume de l'eau de mer augmente : le niveau monte. C'est l'une des deux principales causes de l'élévation des mers, avec la fonte des glaciers terrestres.

Source : GIEC, 6ᵉ rapport (2021). La dilatation thermique explique environ la moitié de la hausse du niveau des océans depuis les années 1970.

Ce qu'il faut retenir

Trois états physiques (solide, liquide, gaz), modélisés par la disposition des particules.

Six changements d'état : fusion, solidification, vaporisation, liquéfaction, sublimation, condensation.

Lors d'un changement d'état, la masse se conserve, mais le volume varie.

La masse volumique se calcule avec ρ = m / V. Elle permet d'identifier un matériau.

Un objet flotte si sa masse volumique est inférieure à celle du liquide.

La masse volumique diminue avec la température : c'est la dilatation thermique. Elle explique en partie la hausse du niveau des océans.