Quelle est la grandeur physique qui reste constante au cours d'un changement d'état ?

L’Enthalpie : Gardienne de la Constante lors des Changements d’État

La transformation d’un corps pur d’un état physique à un autre (solide, liquide, gaz) est un phénomène fascinant qui met en lumière une grandeur physique souvent sous-estimée : l’enthalpie. Contrairement à ce que l’intuition pourrait suggérer, la température ne reste pas la seule constante lors d’un changement d’état. Bien que la température demeure effectivement stable pendant la transition – le fameux “palier de température” – cette stabilité apparente masque une transformation énergétique plus profonde. En réalité, la grandeur qui demeure constante (à pression constante) est l’enthalpie.

Observons le phénomène de fusion de la glace. On chauffe un bloc de glace. Sa température augmente progressivement jusqu’à atteindre 0°C. À ce point, malgré l’apport continu de chaleur, la température reste bloquée à 0°C jusqu’à ce que toute la glace soit fondue. Cette énergie thermique absorbée ne sert pas à augmenter la température de l’eau, mais à briser les liaisons hydrogène qui maintiennent les molécules d’eau dans leur structure cristalline rigide. C’est l’enthalpie de fusion qui est en jeu.

De même, lors de l’ébullition de l’eau, la température reste stable à 100°C (à pression atmosphérique normale) tant que toute l’eau n’est pas passée à l’état gazeux. L’énergie apportée sert à vaincre les forces d’attraction intermoléculaires, permettant aux molécules d’eau de s’échapper de la surface du liquide et de se disperser dans l’air. Ici, c’est l’enthalpie de vaporisation qui est impliquée.

L’enthalpie (H) représente l’énergie totale d’un système, incluant à la fois son énergie interne (U) et le travail effectué par ou sur le système (PV, où P est la pression et V le volume). Durant un changement d’état à pression constante, la variation d’enthalpie (ΔH) correspond précisément à la chaleur échangée avec l’environnement. Cette variation est constante et spécifique à chaque substance et à chaque changement d’état. C’est pourquoi, même si la température reste constante, l’enthalpie du système change de façon significative.

En conclusion, bien que la température constante soit un indicateur visible des changements d’état, la grandeur physique qui demeure réellement constante (à pression constante) est l’enthalpie. Elle représente la clé de voûte de la compréhension thermodynamique de ces transitions fascinantes entre les états de la matière. La constance de la température est une conséquence de la variation constante de l’enthalpie, non l’inverse. Ce point subtil est essentiel pour une compréhension complète des phénomènes physiques en jeu.