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Transformations physiques : changements d’état et énergie
Les six changements d’état et leur écriture symbolique ; le modèle microscopique et la différence entre fusion et dissolution ; transformations endothermiques et exothermiques, sens du transfert thermique et palier ; énergie massique de changement d’état et Q = m × L ; masse, durée et mesure d’une énergie de changement d’état.
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Sujet et corrigé prêts à imprimer.
Devoir surveillé – Transformations physiques : changements d’état et énergie
Durée : 60 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Physique-chimie 2ⁿᵈᵉ
Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.
Exercice 1 – La cuisson d’une confiture ★★
(5 pts)Pour faire une confiture d’abricots, on mélange dans une bassine des fruits coupés et du sucre en poudre, puis on chauffe sur une plaque de cuisson. Le sucre disparaît dans le jus des fruits. Pendant la cuisson, l’eau du jus passe peu à peu dans l’air de la cuisine et la confiture épaissit. On remplit ensuite des pots, que l’on ferme aussitôt : en refroidissant, des gouttes d’eau apparaissent sous les couvercles.
- a)Nommer le changement d’état subi par l’eau du jus pendant la cuisson et écrire son équation symbolique.
- b)Décrire, à l’échelle microscopique, ce qui arrive aux molécules d’eau lors de ce changement d’état.
- c)Pour l’eau, ce changement d’état est-il endothermique ou exothermique ? Qui fournit l’énergie ?
- d)Un enfant affirme : « le sucre a fondu dans le jus ». Expliquer pourquoi ce n’est pas une fusion.
- e)Nommer le changement d’état qui forme les gouttes sous les couvercles et préciser le sens du transfert thermique.
Exercice 2 – Au congélateur et au laboratoire ★★
(5 pts)Données : Lfus(eau) = 3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹ ; Lvap(éthanol) = 8,4 × 10⁵ J·kg⁻¹.
- a)On place un bac contenant 0,360 kg d’eau liquide à 0 °C au congélateur. Nommer la transformation qui se produit et écrire son équation symbolique.
- b)Cette transformation est-elle endothermique ou exothermique ? Préciser le sens du transfert thermique.
- c)Calculer l’énergie échangée par l’eau lors de sa transformation complète, avec son signe.
- d)Le congélateur prélève à l’eau une puissance de 50 W. Calculer la durée de la transformation complète, en minutes.
- e)Une énergie de 5,0 × 10⁴ J est fournie à de l’éthanol liquide à sa température d’ébullition. Calculer la masse d’éthanol vaporisée.
Exercice 3 – Mesurer l’énergie massique de fusion de la glace ★★★
(5 pts)Dans un récipient isolé, on place 50,0 g de glace pilée à −20 °C et une résistance chauffante qui transmet à son contenu une puissance de 40,0 W. On relève la température au cours du temps.
- a)Pourquoi la courbe présente-t-elle un palier ? À quelle température ?
- b)Lire sur la courbe la durée du palier, puis l’exprimer en secondes.
- c)Calculer l’énergie reçue par le contenu du récipient pendant le palier.
- d)En déduire la valeur de l’énergie massique de fusion de la glace mesurée par cette expérience.
- e)La valeur des tables est Lfus = 3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹. Calculer l’écart relatif et proposer une cause à cet écart.
Exercice 4 – Pourquoi la vapeur brûle ★★★
(5 pts)En ouvrant un cuiseur vapeur, une cuisinière reçoit sur la main 12 g de vapeur d’eau à 100 °C, qui redevient de l’eau liquide sur sa peau. Données : Lvap(eau) = 2,26 × 10⁶ J·kg⁻¹ ; on admet que 12 g d’eau liquide qui refroidissent de 100 °C à 60 °C cèdent environ 2,0 × 10³ J.
- a)Nommer le changement d’état subi par la vapeur sur la peau et écrire son équation symbolique.
- b)Cette transformation est-elle endothermique ou exothermique pour la vapeur ? Préciser le sens du transfert thermique.
- c)Calculer l’énergie échangée par ces 12 g de vapeur lors de ce changement d’état, avec son signe.
- d)Combien de fois plus d’énergie ce changement d’état cède-t-il à la peau que le refroidissement de 12 g d’eau de 100 °C à 60 °C ?
- e)Calculer la masse de vapeur qui, en changeant d’état sur la peau, cède autant d’énergie que ces 12 g d’eau qui refroidissent de 100 °C à 60 °C.
Bon courage !
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Voir le corrigé et le barème
Corrigé et barème – Transformations physiques : changements d’état et énergie
Durée : 60 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Physique-chimie 2ⁿᵈᵉ
Exercice 1 – La cuisson d’une confiture ★★
(5 pts)- a)L’eau passe de l’état liquide à l’état gazeux : vaporisation. H₂O(ℓ) → H₂O(g). (1)
- b)Les molécules H₂O restent les mêmes. Dans le liquide, elles sont au contact et en désordre ; elles quittent le jus et, dans le gaz, deviennent très éloignées les unes des autres, en désordre et très agitées : leurs interactions sont presque rompues. (1)
- c)Endothermique : l’eau reçoit de l’énergie. Elle lui est fournie par la plaque de cuisson, à travers la bassine. (1)
- d)Le sucre n’est pas passé seul à l’état liquide : ses molécules se sont dispersées entre les molécules d’eau du jus, qui est le solvant. C’est une dissolution, qui donne un mélange (le sirop). (1)
- e)La vapeur d’eau enfermée dans le pot passe à l’état liquide au contact du couvercle qui refroidit : liquéfaction, exothermique. Le transfert thermique va de la vapeur qui se liquéfie vers le couvercle. (1)
Le point clé — Un solide qui « disparaît » dans un liquide sans avoir été chauffé seul jusqu’à sa température de fusion se dissout : il ne fond pas.
Exercice 2 – Au congélateur et au laboratoire ★★
(5 pts)- a)L’eau passe de l’état liquide à l’état solide : solidification, H₂O(ℓ) → H₂O(s). (1)
- b)Exothermique : l’eau cède de l’énergie. Le transfert thermique va de l’eau vers l’air froid du congélateur. (1)
- c)Lsol = −Lfus = −3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹. Q = m × Lsol = 0,360 × (−3,34 × 10⁵) = −120 240 J ≈ −1,20 × 10⁵ J : énergie cédée par l’eau. (1)
- d)L’énergie prélevée vaut 120 240 J. Δt = E ÷ P = 120 240 ÷ 50 ≈ 2 405 s, soit 2 405 ÷ 60 ≈ 40 min. (1)
- e)m = Q ÷ Lvap = 5,0 × 10⁴ ÷ 8,4 × 10⁵ ≈ 0,060 kg, soit environ 60 g d’éthanol vaporisé. (1)
Erreur fréquente — Prendre Lfus positive pour une solidification : la solidification est exothermique, son énergie massique est −Lfus et Q est négatif.
Exercice 3 – Mesurer l’énergie massique de fusion de la glace ★★★
(5 pts)- a)La glace pure fond sous pression constante : pendant la fusion, la température reste constante, l’énergie reçue sert au changement d’état. Le palier est à 0 °C, température de fusion de l’eau. (1)
- b)Le palier va de 1 min à 8 min : Δt = 7 min = 7 × 60 = 420 s. (1)
- c)E = P × Δt = 40,0 × 420 = 16 800 J, soit 1,68 × 10⁴ J. (1)
- d)Toute la glace (m = 0,0500 kg) a fondu pendant le palier : Lfus = E ÷ m = 16 800 ÷ 0,0500 = 336 000 J·kg⁻¹, soit 3,36 × 10⁵ J·kg⁻¹. (1)
- e)Écart relatif : (3,36 × 10⁵ − 3,34 × 10⁵) ÷ 3,34 × 10⁵ ≈ 0,006, soit environ 0,6 % : la mesure est très bonne. Cause possible : la durée du palier lue sur la courbe n’est précise qu’à quelques secondes près (2,5 s de trop sur 420 s suffisent à faire 0,6 %) ; la masse et la puissance ont aussi une petite incertitude. Les pertes n’expliquent pas une valeur trop grande ici : la glace à 0 °C est plus froide que la pièce, qui lui apporterait plutôt de l’énergie (valeur trop petite) ; le récipient isolé limite cet échange. (1)
Repère — Sur le palier, toute l’énergie fournie (P × Δt) sert à fondre la masse m : L = P × Δt ÷ m. Une pièce plus chaude que la glace lui apporte de l’énergie : c’est pourquoi on isole le récipient.
Exercice 4 – Pourquoi la vapeur brûle ★★★
(5 pts)- a)La vapeur d’eau passe de l’état gazeux à l’état liquide : liquéfaction, H₂O(g) → H₂O(ℓ). (1)
- b)Exothermique pour la vapeur : elle cède de l’énergie. Le transfert thermique va de la vapeur qui se liquéfie vers la peau. (1)
- c)m = 12 g = 0,012 kg ; Lliq = −2,26 × 10⁶ J·kg⁻¹. Q = 0,012 × (−2,26 × 10⁶) = −27 120 J ≈ −2,71 × 10⁴ J, cédée à la peau. (1)
- d)27 120 ÷ 2 000 ≈ 13,6 : la liquéfaction cède environ 14 fois plus d’énergie. C’est une des raisons pour lesquelles une brûlure par la vapeur peut être plus grave qu’une brûlure par de l’eau très chaude. (1)
- e)m = Q ÷ Lvap = 2,0 × 10³ ÷ 2,26 × 10⁶ ≈ 8,8 × 10⁻⁴ kg, soit environ 0,88 g de vapeur : moins d’un gramme suffit. (1)
Astuce — La vapeur ne brûle pas seulement parce qu’elle est chaude : en se liquéfiant sur la peau, elle cède en plus son énergie de changement d’état, très grande pour l’eau.
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Ce contrôle de physique-chimie 2ⁿᵈᵉ en bref
Un devoir surveillé type contrôle en classe sur « Transformations physiques : changements d’état et énergie » : 4 exercices, 60 minutes, noté sur 20. Le sujet et le corrigé sont téléchargeables en PDF, prêts à imprimer, pour travailler comme en classe.
- Exercice 1 — La cuisson d’une confiture ★★/ 5 pts
- Exercice 2 — Au congélateur et au laboratoire ★★/ 5 pts
- Exercice 3 — Mesurer l’énergie massique de fusion de la glace ★★★/ 5 pts
- Exercice 4 — Pourquoi la vapeur brûle ★★★/ 5 pts
Pour préparer ce contrôle
- Relire le cours et la fiche de révision.
- Refaire les exercices corrigés.
- Se tester avec le QCM (36 questions).
- Faire ce sujet en conditions réelles — 60 min, sans le cours — puis se corriger et noter les points à revoir.
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Questions fréquentes sur ce sujet
- Combien de temps dure ce contrôle sur « Transformations physiques : changements d’état et énergie » ?
- 60 minutes pour 4 exercices notés sur 20. Prévois le double si tu enchaînes avec la correction.
- Le corrigé est-il fourni ?
- Oui : le corrigé complet est fourni en PDF (bouton « Télécharger le corrigé »), avec le barème exercice par exercice.
- Ce sujet peut-il servir de DS, de contrôle ou d'interrogation ?
- Oui : c'est un devoir surveillé complet de 60 minutes. Pour une interrogation courte, garde un ou deux exercices ; pour un DS ou un contrôle de fin de chapitre, fais le sujet entier en temps limité.
- Ce sujet suit-il le programme de physique-chimie de seconde ?
- Oui : il évalue uniquement les notions du chapitre « Transformations physiques : changements d’état et énergie » du programme officiel de physique-chimie en seconde.
Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.
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