Transformations physiques : changements d’état et énergie

Nomme le changement d’état dans chaque situation.

1. De la buée apparaît sur le miroir de la salle de bain :
   La vapeur d’eau de l’air passe de l’état gazeux à l’état liquide sur le miroir froid : liquéfaction.
2. La peinture fraîche d’une aquarelle sèche sur la table :
   L’eau de la peinture passe de l’état liquide à l’état gazeux, à sa surface : vaporisation (ici, une évaporation).
3. En approchant du Soleil, la glace du noyau d’une comète passe dans l’espace sans jamais devenir liquide et forme sa chevelure :
   Chauffée par le Soleil, la glace passe directement de l’état solide à l’état gazeux : sublimation.
4. La cire liquide d’une bougie fige au bas de la flamme :
   La cire passe de l’état liquide à l’état solide : solidification.
5. Par une nuit glaciale, des cristaux de glace en forme de fougère se forment sur une vitre, à partir de la vapeur d’eau de la pièce, sans passer par le liquide :
   La vapeur d’eau passe directement de l’état gazeux à l’état solide : condensation (ou condensation solide).

Complète l’écriture symbolique avec l’état qui manque : s, ℓ ou g.

1. Un lingot d’étain fond dans un creuset : Sn(s) → Sn()
   Fusion : l’étain passe de l’état solide à l’état liquide, Sn(s) → Sn(ℓ).
2. Dans une usine, le diazote de l’air est refroidi jusqu’à devenir liquide : N₂() → N₂(ℓ)
   Liquéfaction : le diazote part de l’état gazeux, N₂(g) → N₂(ℓ).
3. Du soufre fondu, versé sur une plaque froide, durcit : S(ℓ) → S()
   Solidification : le soufre passe à l’état solide, S(ℓ) → S(s).
4. À l’hôpital, le dioxygène liquide stocké dans une cuve se vaporise avant d’être distribué aux chambres : O₂(ℓ) → O₂()
   Vaporisation : le dioxygène passe de l’état liquide à l’état gazeux, O₂(ℓ) → O₂(g).

Lis chaque écriture ou chaque affirmation, puis réponds.

1. Un motard appelle « condensation » la buée qui couvre la visière de son casque par temps froid. Le chimiste emploie le mot :
   La vapeur d’eau de son souffle passe de l’état gazeux à l’état liquide au contact de la visière froide : c’est une liquéfaction. Le mot « condensation » est réservé au passage gaz → solide.
2. Dans le réfrigérant d’une distillation, l’éthanol vérifie C₂H₆O(g) → C₂H₆O(ℓ). Ce changement d’état est une
   L’éthanol passe de l’état gazeux à l’état liquide : liquéfaction. La formule est la même des deux côtés : l’espèce est conservée.
3. Un élève écrit l’ébullition de l’eau : 2 H₂O(ℓ) → 2 H₂(g) + O₂(g). Cette écriture décrirait une transformation , pas un changement d’état.
   Des espèces nouvelles (H₂ et O₂) apparaîtraient : ce serait une transformation chimique (c’est l’électrolyse de l’eau). L’ébullition s’écrit H₂O(ℓ) → H₂O(g) : mêmes molécules, autre état.
4. L’écriture H₂O(s) → H₂O(g) décrit une
   De l’état solide à l’état gazeux, sans passer par le liquide : sublimation.

Complète avec le mot du cours.

1. Dans un gaz, les entités sont très les unes des autres.
   Dans un gaz, la distance entre entités est grande devant leur taille : elles sont très éloignées.
2. Dans un liquide, les entités sont au contact mais : elles glissent les unes sur les autres.
   Le liquide est compact et désordonné.
3. Dans un solide cristallin, les entités sont de façon régulière.
   Le solide cristallin est compact et ordonné : les entités sont rangées régulièrement et vibrent sur place.
4. Pendant un changement d’état, la nature et le nombre des entités ne changent pas : la se conserve.
   Les entités ne sont ni cassées ni créées : la masse se conserve (le volume, lui, change).

Écris « fusion » ou « dissolution ».

1. Une pastille de colorant alimentaire donne à l’eau d’un verre une couleur rouge uniforme :
   Le colorant (soluté) se disperse entre les molécules d’eau (solvant) : dissolution.
2. Une noix de beurre posée dans une poêle chaude devient liquide :
   Le beurre, chauffé seul, passe de l’état solide à l’état liquide : fusion.
3. Un glaçon disparaît dans un verre d’eau à 20 °C :
   La glace reçoit de l’énergie de l’eau du verre et devient de l’eau liquide : c’est une fusion. Une dissolution demanderait un soluté différent du solvant.
4. Des cristaux d’acide citrique versés dans un flacon d’eau disparaissent quand on agite :
   Les molécules d’acide citrique se dispersent entre les molécules d’eau : dissolution. L’acide citrique n’est pas devenu liquide.

Données : 1,0 g d’eau liquide occupe environ 1,0 mL ; à 100 °C et sous la pression atmosphérique, 1,0 g de vapeur d’eau occupe 1,67 L ; masse volumique de la glace : 0,917 kg·L⁻¹.

1. La vapeur d’eau à 100 °C occupe environ fois plus de place que la même masse d’eau liquide.
   1,67 L = 1 670 mL, donc 1 670 ÷ 1,0 = 1 670 : environ 1 670 fois plus de place. Les molécules sont bien plus éloignées les unes des autres dans le gaz.
2. Dans un ballon bouché, on vaporise entièrement 250 g d’eau, sans fuite. La vapeur obtenue a une masse de g.
   Les molécules restent les mêmes et aucune ne s’échappe : la masse se conserve, 250 g.
3. 1,000 kg d’eau liquide gèle entièrement. Volume de la glace obtenue : V ≈ L (trois chiffres significatifs).
   Rédaction attendue. La masse se conserve : m = 1,000 kg. V = m ÷ ρ = 1,000 ÷ 0,917 ≈ 1,09 L, plus que le litre d’eau de départ.
4. En gelant, l’eau occupe plus de place : dans la glace, ses molécules sont en moyenne un peu plus que dans l’eau liquide.
   La glace a une masse volumique plus petite que l’eau liquide : ses molécules, rangées dans le cristal, sont en moyenne plus éloignées. C’est l’exception de l’eau.

Pour l’espèce qui change d’état, écris « endothermique » ou « exothermique ».

1. Une boule de crème glacée fond dans son cornet :
   Fusion : la crème glacée reçoit de l’énergie de l’air et du cornet. Endothermique.
2. La rosée se dépose sur l’herbe au petit matin :
   La vapeur d’eau de l’air se liquéfie : elle cède de l’énergie à l’herbe et à l’air. Exothermique.
3. L’eau d’un verre oublié sur le rebord d’une fenêtre disparaît en quelques jours :
   L’eau s’évapore (vaporisation) : elle reçoit de l’énergie de l’air et du verre. Endothermique.
4. Du chocolat fondu étalé sur un marbre froid durcit :
   Solidification : le chocolat cède de l’énergie au marbre. Exothermique.

Indique le sens du transfert thermique.

1. Une compresse humide est posée sur le front d’un enfant fiévreux ; elle sèche peu à peu. Pour l’eau de la compresse, ce changement d’état est
   L’eau se vaporise : transformation endothermique, l’eau reçoit de l’énergie, et c’est le front (le corps) qui la cède.
2. Le front de l’enfant se
   Le front cède de l’énergie à l’eau qui s’évapore : il se refroidit.
3. En hiver, l’eau d’un bassin gèle en surface pendant la nuit. La glace qui se forme cède de l’énergie à
   La solidification est exothermique : l’eau cède de l’énergie au milieu extérieur, ici à l’air froid de la nuit.
4. Un glaçon fond sur la langue. L’énergie qu’il reçoit est cédée par
   La fusion est endothermique : le transfert thermique va de la langue vers le glaçon, d’où la sensation de froid.

Un liquide pur refroidit à l’air libre. On relève sa température θ toutes les 30 s et on trace la courbe ci-dessous.

1. Température de solidification lue sur la courbe : °C
   Le palier horizontal est à 55 °C : c’est la température de solidification de ce corps pur.
2. Durée de la solidification : min
   Le palier commence à 4 min et finit à 11 min : 11 − 4 = 7 min.
3. Pendant le palier, l’espèce cède de l’énergie au milieu extérieur, et pourtant sa température
   L’énergie cédée vient de la mise en ordre des entités (solidification), pas d’une baisse d’agitation : la température reste constante.
4. À t = 8 min, l’échantillon contient du liquide et du
   À 8 min, on est sur le palier : les deux états coexistent, liquide et solide.

Données : L_fus(eau) = 3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹ ; L_vap(éthanol) = 8,4 × 10⁵ J·kg⁻¹.

1. 35,0 g = kg
   1 kg = 1 000 g, donc 35,0 g = 35,0 ÷ 1 000 = 0,0350 kg.
2. Énergie pour faire fondre 0,800 kg de glace à 0 °C : Q ≈ × 10⁵ J
   Q = m × L_fus = 0,800 × 3,34 × 10⁵ ≈ 2,67 × 10⁵ J, reçue par la glace.
3. Énergie pour vaporiser 0,150 kg d’éthanol à 78 °C : Q = × 10⁵ J
   Q = m × L_vap = 0,150 × 8,4 × 10⁵ = 1,26 × 10⁵ J, reçue par l’éthanol.
4. Énergie massique de solidification de l’eau : L_sol = × 10⁵ J·kg⁻¹
   La solidification est l’inverse de la fusion, exothermique : L_sol = −L_fus = −3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹.

On place 0,185 kg de glaçons à 0 °C dans une boisson. Donnée : L_fus(eau) = 3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹.

1. Les glaçons subissent une
   Passage de l’état solide à l’état liquide : fusion, H₂O(s) → H₂O(ℓ).
2. Énergie nécessaire pour faire fondre entièrement les glaçons : Q ≈ × 10⁴ J
   Q = m × L_fus = 0,185 × 3,34 × 10⁵ = 61 790 J ≈ 6,18 × 10⁴ J (Q > 0 : énergie reçue par la glace).
3. La boisson ne peut fournir que 4,50 × 10⁴ J aux glaçons avant d’atteindre 0 °C. Masse de glace qui fond : m ≈ g
   Rédaction attendue. m = Q ÷ L_fus = 4,50 × 10⁴ ÷ 3,34 × 10⁵ ≈ 0,135 kg, soit 135 g.
4. Il reste alors environ g de glace, qui flotte dans la boisson à 0 °C.
   185 − 134,7 ≈ 50 g de glace restent. La boisson s’est refroidie : elle a cédé de l’énergie aux glaçons (fusion endothermique).

Attention au signe de L et à l’unité de la masse.

1. Un orfèvre coule 240 g d’argent fondu, qui se solidifie dans le moule. L_fus(argent) = 1,05 × 10⁵ J·kg⁻¹. Q = × 10⁴ J
   Rédaction attendue. m = 240 g = 0,240 kg. Solidification, exothermique : L_sol = −1,05 × 10⁵ J·kg⁻¹. Q = 0,240 × (−1,05 × 10⁵) = −2,52 × 10⁴ J : l’argent cède cette énergie au moule et à l’air.
2. On liquéfie 3,00 kg d’ammoniac gazeux à −33 °C, sa température d’ébullition sous la pression atmosphérique. L_vap(ammoniac, à −33 °C) = 1,37 × 10⁶ J·kg⁻¹. Q = × 10⁶ J
   Liquéfaction, exothermique : L_liq = −1,37 × 10⁶ J·kg⁻¹. Q = 3,00 × (−1,37 × 10⁶) = −4,11 × 10⁶ J, cédée par l’ammoniac au milieu extérieur (le dispositif qui le refroidit).
3. 1,20 kg d’eau se vaporise, puis toute cette vapeur se liquéfie. Somme des deux énergies échangées par l’eau : J
   Q_vap = 1,20 × 2,26 × 10⁶ = 2,712 × 10⁶ J et Q_liq = 1,20 × (−2,26 × 10⁶) = −2,712 × 10⁶ J : la somme vaut 0 J. L’eau rend en se liquéfiant toute l’énergie reçue en se vaporisant.
4. Une masse m de glace qui fond reçoit 5,0 × 10⁴ J. Une masse 3m de la même glace qui fond reçoit × 10⁵ J
   Q est proportionnelle à m : 3 × 5,0 × 10⁴ = 15 × 10⁴ = 1,5 × 10⁵ J.

Données : L_fus(eau) = 3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹ ; L_vap(eau) = 2,26 × 10⁶ J·kg⁻¹.

1. 4 min 30 s = s
   4 × 60 + 30 = 270 s.
2. On fournit 2,00 × 10⁴ J à de la glace à 0 °C. Masse de glace fondue : m ≈ g
   m = Q ÷ L_fus = 2,00 × 10⁴ ÷ 3,34 × 10⁵ ≈ 0,0599 kg, soit 59,9 g.
3. Une plaque transmet 1 500 W à de l’eau bouillante pendant 120 s. Énergie reçue par l’eau : E = × 10⁵ J
   E = P × Δt = 1 500 × 120 = 180 000 J = 1,80 × 10⁵ J.
4. Cette énergie vaporise une masse d’eau m ≈ g
   m = E ÷ L_vap = 1,80 × 10⁵ ÷ 2,26 × 10⁶ ≈ 0,0796 kg, soit 79,6 g.

Pendant une heure d’effort, un cycliste perd 0,650 L de sueur, qui passe entièrement à l’état de vapeur sur sa peau. On assimile la sueur à de l’eau : ρ = 1,00 kg·L⁻¹. Énergie massique de vaporisation de l’eau à 35 °C : L_vap = 2,42 × 10⁶ J·kg⁻¹.

1. Sur la peau, la sueur subit une
   La sueur passe de l’état liquide à l’état gazeux : vaporisation (évaporation), transformation endothermique. L’énergie est prélevée à la peau.
2. Énergie reçue par la sueur : Q ≈ × 10⁶ J
   Rédaction attendue. m = ρ × V = 1,00 × 0,650 = 0,650 kg. Q = m × L_vap = 0,650 × 2,42 × 10⁶ = 1 573 000 J ≈ 1,57 × 10⁶ J, prélevée au corps.
3. Puissance moyenne évacuée par la transpiration pendant cette heure : P ≈ W
   Rédaction attendue. Δt = 1 h = 3 600 s. P = Q ÷ Δt = 1 573 000 ÷ 3 600 ≈ 437 W.
4. Par temps très humide, la sueur ruisselle sans s’évaporer : le corps se refroidit bien.
   Le refroidissement vient de la vaporisation, qui prélève de l’énergie à la peau. Une sueur qui ruisselle ne change pas d’état : le corps se refroidit moins bien.

Une casserole contient 0,500 kg d’eau bouillante. La plaque de cuisson transmet à l’eau une puissance de 1 200 W. L_vap(eau) = 2,26 × 10⁶ J·kg⁻¹.

1. Énergie nécessaire pour vaporiser toute l’eau : Q = × 10⁶ J
   Q = m × L_vap = 0,500 × 2,26 × 10⁶ = 1,13 × 10⁶ J.
2. Durée pour que la casserole se retrouve à sec : Δt ≈ min
   Rédaction attendue. P × Δt = Q, donc Δt = Q ÷ P = 1,13 × 10⁶ ÷ 1 200 ≈ 942 s, soit 942 ÷ 60 ≈ 15,7 min.
3. Avec une plaque qui transmet 1 800 W à l’eau, cette durée serait Δt ≈ min
   Δt = 1,13 × 10⁶ ÷ 1 800 ≈ 628 s ≈ 10,5 min : la durée est inversement proportionnelle à la puissance.
4. En réalité, la plaque consomme plus d’énergie que ce que l’eau reçoit : une partie chauffe la casserole et
   Ce sont les pertes : une partie de l’énergie chauffe la casserole et l’air de la cuisine.