Qu'est-ce que le modèle particulaire ?
Un modèle est une image simple qui aide à expliquer les choses. Le modèle particulaire dit :
- Toute la matière est faite de très petites particules (atomes, molécules ou ions). Elles sont bien trop petites pour être vues.
- Les particules sont toujours en mouvement.
- Il existe des forces d'attraction (une sorte de traction) entre les particules. Cette attraction est forte quand elles sont proches.
- Entre les particules d'un gaz, il n'y a que du vide, pas de l'air.
On dessine les particules comme de petites billes. Les vraies particules ne sont pas des billes colorées, mais cette image explique beaucoup de choses. La diffusion (une odeur qui se répand dans une pièce, ou de l'encre qui s'étale dans l'eau) prouve bien que les particules bougent toutes seules.
Solides, liquides et gaz
| Solide | Liquide | Gaz | |
|---|---|---|---|
| Disposition | Proches, en rangées régulières | Proches, sans ordre | Éloignées, au hasard |
| Mouvement | Vibrent sur place | Glissent les unes sur les autres | Rapide, en ligne droite, dans toutes les directions |
| Attraction entre elles | Forte | Moyenne | Très faible |
| Forme / volume | Forme fixe, volume fixe | Prend la forme du récipient, volume fixe | Remplit le récipient, pas de volume fixe |
| Peut-on le comprimer ? | Non | Presque pas | Oui, facilement |
Masse volumique
La masse volumique indique quelle masse est contenue dans chaque mètre cube : ρ = m ÷ V (kg/m³). Les solides et les liquides sont denses parce que leurs particules sont proches. Les gaz ont une faible masse volumique parce que leurs particules sont éloignées. L'eau fait environ 1000 kg/m³ ; l'air environ 1,2 kg/m³.
Chauffer : température, énergie interne et changements d'état
L'énergie interne est l'énergie totale stockée par toutes les particules : leur énergie de mouvement (cinétique) plus l'énergie stockée dans l'attraction entre elles (potentielle). Chauffer une substance augmente son énergie interne. Deux choses peuvent se produire :
- La température monte : les particules vont plus vite. Énergie nécessaire : E = m × c × ΔT, où c est la capacité thermique massique (l'énergie pour chauffer 1 kg de 1 °C).
- L'état change (fusion, ébullition) : la température reste la même. L'énergie sert à rompre l'attraction entre les particules. Énergie nécessaire : E = m × L, où L est la chaleur latente massique (l'énergie pour changer l'état de 1 kg sans changement de température).
Noms des changements : fusion (solide → liquide), solidification (liquide → solide), ébullition ou évaporation (liquide → gaz), condensation (gaz → liquide), sublimation (solide → gaz directement, comme la neige carbonique). Un changement d'état est une transformation physique : la masse se conserve et on peut revenir en arrière.
Sur un graphique de chauffage, les parties plates sont les changements d'état. L'évaporation a lieu à toute température, à la surface, quand les particules les plus rapides s'échappent ; elle refroidit le liquide qui reste (la sueur, une cruche en argile).
Pression d'un gaz et température
Les particules d'un gaz frappent sans cesse les parois de leur récipient. Chaque choc est une minuscule poussée. Des millions de poussées sur chaque mètre carré créent la pression.
- Gaz plus chaud, même volume : les particules vont plus vite, frappent les parois plus souvent et plus fort, donc la pression augmente.
- Volume plus petit, même température : les particules frappent les parois plus souvent, donc la pression augmente. Pour une masse de gaz fixe à température constante, p × V reste constant.
Le zéro absolu (−273 °C, ou 0 K) est la température où les particules auraient le moins de mouvement possible. Température en kelvins = °C + 273.
À essayer chez toi
Mets quelques gouttes de colorant alimentaire dans un verre d'eau froide et dans un verre d'eau chaude. Ne remue pas. Devine dans lequel la couleur se répand le plus vite, puis observe. (Eau chaude : les particules vont plus vite.)
Formules et définitions clés
- Masse volumique : ρ = m / V (kg/m³)
- Chauffage sans changement d'état : E = m c ΔT
- Changement d'état : E = m L (chaleur latente massique)
- Gaz à température constante : p₁V₁ = p₂V₂
- Kelvin = °C + 273
Exemples résolus
1. Un bloc a une masse de 2.7 kg et un volume de 0.001 m³. Trouve sa masse volumique.
ρ = m / V = 2.7 / 0.001 = 2700 kg/m³ (c'est de l'aluminium).
2. Pourquoi peut-on comprimer un gaz mais pas un solide ?
Les particules d'un gaz sont séparées par de grands espaces vides, donc en poussant on les rapproche. Les particules d'un solide se touchent déjà, il n'y a pas d'espace à enlever.
3. Quelle énergie faut-il pour chauffer 2 kg d'eau de 20 °C à 70 °C ? (c = 4200 J/kg °C)
E = m c ΔT = 2 × 4200 × 50 = 420 000 J = 420 kJ.
4. Quelle énergie faut-il pour fondre 0.5 kg de glace à 0 °C ? (L = 334 000 J/kg)
E = m L = 0.5 × 334 000 = 167 000 J = 167 kJ. La température reste à 0 °C pendant tout ce temps.
5. Une seringue contient 60 cm³ d'air à 100 kPa. On l'enfonce jusqu'à 20 cm³ à la même température. Trouve la nouvelle pression.
p₂ = p₁V₁ / V₂ = 100 × 60 / 20 = 300 kPa. Un volume trois fois plus petit donne une pression trois fois plus grande.
6. La résistance d'une bouilloire donne 2000 J chaque seconde. Combien de temps faut-il pour vaporiser 0.2 kg d'eau déjà à 100 °C ? (L = 2 260 000 J/kg)
E = m L = 0.2 × 2 260 000 = 452 000 J. Durée = 452 000 / 2000 = 226 s (environ 3.8 minutes).
Erreurs fréquentes
- Dire que les particules d'un solide ne bougent pas. Elles vibrent tout le temps.
- Croire que la température continue de monter pendant que la glace fond. Elle reste à 0 °C jusqu'à ce que toute la glace ait fondu.
- Dire qu'il y a de l'air entre les particules d'un gaz. Il n'y a que du vide.
- Croire que les particules elles-mêmes se dilatent quand on chauffe. Les particules gardent la même taille ; ce sont les espaces entre elles qui grandissent.