Décrire la constitution et les états de la matière 1

Volume

Le volume correspond à l’espace occupé par une substance. 

L’unité légale du volume est le mètre cube (m³), mais on utilise souvent une autre unité : le litre (L)
1 m³ = 1 000 L        1 L = 1 dm³        1 dm³ = 1 000 mL        1 mL = 1 cm³

Le volume d’un liquide se mesure à l’aide d’une éprouvette graduée. Le volume d’un solide se mesure aussi avec une éprouvette graduée contenant un liquide dans lequel on plonge le solide. Le volume du solide s’obtient en mesurant la variation de niveau de liquide.

Masse

La masse renseigne sur la quantité de matière qu’un corps contient. L’unité légale de masse est le kilogramme (kg), mais on utilise aussi le gramme (g) ou la tonne (t).
1 t = 1 000 kg        1 kg = 1 000 g

Avec une balance, on mesure la masse de 100 mL d’eau liquide : 100 g

On peut en déduire que la masse d’un litre d’eau liquide est 1 kg.

La masse volumique ρ de l’eau est le quotient de la masse de l’eau par son volume : $\rho=\dfrac{m}{V}=\dfrac{1000}{1}=1000 \mathrm{~kg} / \mathrm{m}^{3}$

Avec ρ la masse volumique en kg/m³, m la masse en kg et V le volume en m³.

Les trois états de la matière

Toute matière existe à l’état :

• Solide (glace, neige, givre, grêle…) ;
• Liquide (océans, lacs, rivières, pluie, buée…) ;
• De gaz (vapeur d’eau).

Quelques caractéristiques des trois états de la matière

À l’état solide, la matière a une forme bien définie que l’on peut prendre avec sa main. Son volume ne peut pas être comprimé : ses molécules sont ordonnées et immobiles car très proches les unes des autres et liées les unes aux autres.

À l’état liquide, la matière prend la forme de son contenant : on ne peut pas la prendre avec sa main. Au repos, sa surface de contact avec l’air est plane et horizontale. C’est la surface libre. Le volume d’un liquide ne peut pas être comprimé : ses molécules restent proches les unes des autres, mais sont plus agitées et moins liées qu’à l’état solide. Elles peuvent donc glisser les unes sur les autres. C’est pour cela qu’un liquide coule.

À l’état de gaz, la matière occupe tout l’espace qui lui est disponible car un gaz est expansible et prend la forme de son contenant. Le volume d’un gaz peut être comprimé : ses molécules sont éloignées les unes des autres et très agitées. Elles ne sont plus liées aux autres et peuvent se déplacer très vite dans toutes les directions.

Les changements d’état

La solidification correspond à la transformation physique d’un liquide en solide. L’étape inverse est la fusion.

La liquéfaction correspond à la transformation physique d’un gaz en liquide. L’étape inverse est la vaporisation.

La vaporisation peut s’effectuer de deux façons :

• Par évaporation (l’eau des lacs, des mers, des rivières s’évapore au soleil pour former les nuages) ;
  
• Par ébullition (formation de bulles de vapeur).
  

Pour changer d’état, nous pouvons :

• Faire varier la température
  
• Faire varier la pression
  

Les températures de changement d’état sont propres et caractéristiques d’une matière. Par exemple, l’eau, sous pression atmosphérique aura une température de fusion de 0°C et de vaporisation de 100°C.

Conditions de changement d’état

Lors du changement d’état de l’eau, sous la pression atmosphérique, la température reste constante :

• La fusion et la solidification s’effectuent à 0 °C ;
• L’ébullition s’effectue à 100 °C.

La température de changement d’état dépend de la pression.

Changement d’état, masse et volume

Lorsque l’on fait fondre un glaçon de 20 g, la masse de liquide recueillie reste le même : la masse de l’eau ne change pas lors d’un changement d’état.

Lorsque l’on place de l’eau au congélateur pour préparer des glaçons, on observe que les glaçons ont un volume légèrement supérieur à celui du liquide : le volume change lors d’un changement d’état.

Ce comportement est une exception de l’eau. Habituellement, un corps se solidifiant va occuper moins d’espace et donc voir son volume diminuer.