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.
À propos de cette page
Cinq problèmes corrigés pas à pas, du plus simple au plus difficile : une journée en haute montagne, l’aspersion d’un verger contre le gel, la cruche en argile qui rafraîchit l’eau, la chaufferette réutilisable à l’acétate de sodium et l’énergie consommée par un déshydrateur de fruits.
5 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».
Résoudre un problème : la méthode
Je lis la situation et je repère l’espèce qui change d’état, son état de départ et son état d’arrivée.
Je nomme le changement d’état, j’écris son équation si on la demande, et je dis s’il est endothermique ou exothermique pour l’espèce.
Je précise le sens du transfert thermique : qui cède l’énergie, qui la reçoit, qui se refroidit ou se réchauffe.
Je calcule avec Q = m × L (masse en kg, L avec son signe) et, si un appareil intervient, E = P × Δt (durée en s).
Je conclus par une phrase qui répond à la question, avec l’unité et le bon nombre de chiffres significatifs.
Problème 1 · Une journée en haute montagne★★★Facile
Au lever du jour, dans un refuge de haute montagne, l’eau d’une gourde oubliée dehors a gelé. En milieu de journée, la neige des pentes exposées au soleil fond et alimente un torrent. Sur les crêtes balayées par un vent très sec, une partie de la neige passe directement dans l’air sans fondre. Le soir, le gardien fait bouillir de l’eau pour la soupe.
1. Dans la gourde, pendant la nuit, l’eau a subi une
L’eau est passée de l’état liquide à l’état solide : solidification.
2. En gelant, l’eau de la gourde a cédé 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.
3. Fonte de la neige au soleil : H₂O(s) → H₂O()
Fusion : H₂O(s) → H₂O(ℓ). La formule ne change pas, seul l’état change.
4. Pour la neige qui fond, la transformation est
La fusion est endothermique : la neige reçoit de l’énergie du Soleil, de l’air et du sol.
5. Sur les crêtes, la neige qui passe directement dans l’air subit une
De l’état solide à l’état gazeux sans passer par le liquide : sublimation.
6. Pendant l’ébullition de l’eau de la soupe, les molécules qui passent dans l’air restent des molécules de formule
Un changement d’état ne casse pas les molécules : elles restent des molécules H₂O, seulement très éloignées les unes des autres dans le gaz.
Problème 2 · Protéger un verger du gel★★★Moyen
Par une nuit de printemps où l’air descend à −3 °C, un arboriculteur fait pulvériser de l’eau sur ses pommiers en fleurs. L’eau gèle sur les fleurs et les enrobe de glace ; tant que l’arrosage continue, la température des fleurs reste voisine de 0 °C et elles ne gèlent pas. L’installation apporte 40 m³ d’eau par heure et par hectare. Données : Lfus(eau) = 3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹ ; 1 m³ d’eau a une masse de 1 000 kg ; 1 ha = 10 000 m².
1. L’eau qui gèle sur les fleurs subit une
L’eau pulvérisée passe de l’état liquide à l’état solide : solidification.
2. Pour l’eau, cette transformation est
La solidification est exothermique : l’eau cède de l’énergie au milieu extérieur.
3. Le transfert thermique se fait de l’eau qui gèle vers
L’eau qui gèle cède de l’énergie à son entourage : les fleurs et l’air froid. C’est cette énergie qui maintient les fleurs vers 0 °C.
4. Masse d’eau apportée en une heure sur un hectare : kg
40 m³ × 1 000 kg par m³ = 40 000 kg.
5. Énergie échangée par cette eau si elle gèle entièrement : Q ≈ × 10¹⁰ J
Rédaction attendue. Lsol = −3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹. Q = 40 000 × (−3,34 × 10⁵) = −1,336 × 10¹⁰ J ≈ −1,34 × 10¹⁰ J par hectare et par heure, cédée par l’eau.
6. Puissance moyenne cédée par mètre carré de verger : P ≈ W
Énergie cédée par heure et par m² : 1,336 × 10¹⁰ ÷ 10 000 = 1,336 × 10⁶ J. P = 1,336 × 10⁶ ÷ 3 600 ≈ 371 W par mètre carré.
7. Si l’arrosage s’arrête avant la fin du gel, plus aucune eau ne gèle sur les fleurs. Dans l’air à −3 °C, leur température alors sous 0 °C.
Plus de solidification, donc plus d’énergie cédée par l’eau qui gèle. La glace et les fleurs, elles, continuent de céder de l’énergie à l’air plus froid : elles refroidissent et leur température descend sous 0 °C. Il faut arroser jusqu’à la fin du gel.
Problème 3 · La cruche qui rafraîchit★★★Moyen
Une cruche en argile non vernie, pleine d’eau, est posée à l’ombre. L’eau traverse lentement l’argile poreuse et passe à l’état de vapeur à la surface extérieure de la cruche ; l’eau de l’intérieur reste plus fraîche que l’air. En 6,0 h, la cruche perd 120 g d’eau. Donnée : Lvap(eau) = 2,4 × 10⁶ J·kg⁻¹ (eau vers 30 °C).
1. À la surface de la cruche, l’eau subit une
L’eau passe de l’état liquide à l’état gazeux, à la surface : vaporisation (évaporation).
2. L’énergie reçue par l’eau qui s’évapore est surtout prélevée à de la cruche.
La vaporisation est endothermique : l’énergie est prélevée à l’eau de la cruche (et à l’argile), qui se refroidit.
3. Énergie reçue par l’eau évaporée en 6,0 h : Q = × 10⁵ J
m = 120 g = 0,120 kg. Q = 0,120 × 2,4 × 10⁶ = 2,88 × 10⁵ J.
4. 6,0 h = s
6,0 × 3 600 = 21 600 s.
5. Puissance moyenne prélevée à l’eau de la cruche : P ≈ W
Rédaction attendue. P = Q ÷ Δt = 2,88 × 10⁵ ÷ 21 600 ≈ 13,3 W.
6. Une cruche vernie, imperméable, ne rafraîchit pas l’eau, car l’eau ne peut plus à sa surface.
Sans eau qui traverse la paroi, rien ne peut s’évaporer à la surface : aucune énergie n’est prélevée à l’eau de l’intérieur.
Problème 4 · La chaufferette réutilisable★★★Difficile
Une chaufferette de poche contient 95,0 g d’acétate de sodium trihydraté, liquide à 20 °C alors que sa température de fusion est 58 °C : il est dans un état instable appelé surfusion. Quand on plie la pastille métallique, le liquide se transforme en solide en quelques secondes ; la température monte à 58 °C, y reste un long moment, puis redescend. Données : Lfus = 2,64 × 10⁵ J·kg⁻¹ ; puissance moyenne cédée à la main : 12 W.
1. La transformation déclenchée par la pastille est une
Le liquide devient solide : solidification.
2. Transformation physique ou chimique ?
L’espèce reste l’acétate de sodium trihydraté, seul son état change : transformation physique.
3. Le transfert thermique se fait de la chaufferette vers
La solidification est exothermique : l’acétate cède de l’énergie à la main, qui se réchauffe.
4. Énergie échangée par l’acétate lors de la solidification complète : Q ≈ × 10⁴ J
5. Durée pendant laquelle la chaufferette peut céder cette énergie à la main : Δt ≈ min
Δt = E ÷ P = 25 080 ÷ 12 = 2 090 s, soit 2 090 ÷ 60 ≈ 35 min.
6. Pendant le palier à 58 °C, la chaufferette contient à la fois du liquide et du
Corps pur qui change d’état sous pression constante : la température reste à 58 °C tant que liquide et solide coexistent.
7. Pour la recharger, on la plonge dans l’eau bouillante : l’acétate fond. Énergie qu’il reçoit : Q ≈ × 10⁴ J
Fusion, endothermique : Q = 0,0950 × 2,64 × 10⁵ ≈ +2,51 × 10⁴ J, cédée par l’eau bouillante (à 100 °C, plus chaude que 58 °C).
8. « La chaufferette produit de l’énergie gratuitement. » Faux : l’énergie qu’elle rend a été fournie, lors de la recharge, par
La solidification restitue l’énergie reçue lors de la fusion, fournie par l’eau bouillante, donc par la plaque de cuisson : la recharge a un coût énergétique.
Problème 5 · Des chips de pomme au déshydrateur★★★Difficile
Pour fabriquer des chips de pomme, on place 1,0 kg de fines tranches de pomme dans un déshydrateur de puissance 500 W, qui souffle de l’air chaud vers 55 °C pendant 8,0 h. On admet que les tranches perdent 0,85 kg d’eau, qui passe à l’état de vapeur. Données : Lvap(eau vers 55 °C) = 2,4 × 10⁶ J·kg⁻¹ ; 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J.
1. Énergie minimale nécessaire pour vaporiser cette eau : Q = × 10⁶ J
Q = m × Lvap = 0,85 × 2,4 × 10⁶ = 2,04 × 10⁶ J.
2. Énergie électrique consommée par le déshydrateur en 8,0 h : E = × 10⁷ J
Δt = 8,0 × 3 600 = 28 800 s. E = P × Δt = 500 × 28 800 = 14 400 000 J = 1,44 × 10⁷ J.
3. Cette énergie électrique vaut kWh.
1,44 × 10⁷ ÷ 3,6 × 10⁶ = 4,0 kWh.
4. Part de l’énergie consommée qui sert vraiment à vaporiser l’eau : environ %
Rédaction attendue. 2,04 × 10⁶ ÷ 1,44 × 10⁷ ≈ 0,142, soit environ 14 %. Le reste chauffe l’air soufflé, qui ressort encore chaud, et l’appareil.
5. Durée minimale si toute l’énergie servait à vaporiser l’eau : Δt ≈ h
Δt = Q ÷ P = 2,04 × 10⁶ ÷ 500 = 4 080 s, soit 4 080 ÷ 3 600 ≈ 1,1 h au lieu de 8,0 h.
6. Séchées au soleil sur une claie, les tranches perdent aussi leur eau. L’énergie de la vaporisation est alors fournie gratuitement par
La vaporisation est endothermique : c’est le Soleil (et l’air ambiant) qui cède l’énergie à l’eau des tranches.
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