Ressources · 2ⁿᵈᵉ · Physique-Chimie (2nde)
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
Les 36 questions du QCM en version texte
Pour réviser sans écran ou imprimer : chaque question avec ses propositions ; la bonne réponse et son explication se déplient.
Niveau facile ★ — 12 questions
L’écriture H₂O(g) → H₂O(ℓ) décrit :
- A. une condensation
- B. une vaporisation
- C. une liquéfaction
- D. une solidification
Réponse
C. une liquéfaction — De (g) à (ℓ) : gaz → liquide, c’est une liquéfaction. La condensation désigne le passage gaz → solide, la vaporisation le passage liquide → gaz.
La fusion d’un solide est une transformation :
- A. endothermique : le système reçoit de l’énergie
- B. exothermique : le système cède de l’énergie
- C. chimique : de nouvelles espèces apparaissent
- D. sans aucun échange d’énergie avec l’extérieur
Réponse
A. endothermique : le système reçoit de l’énergie — Pour faire fondre un solide, il faut lui fournir de l’énergie : la fusion est endothermique. C’est une transformation physique, l’espèce ne change pas.
Lors d’un changement d’état, les entités (atomes, molécules ou ions) :
- A. sont cassées puis reformées autrement
- B. changent de formule chimique
- C. disparaissent en partie, la masse baisse
- D. restent les mêmes, leur organisation change
Réponse
D. restent les mêmes, leur organisation change — Un changement d’état ne casse aucune entité : seules leur organisation, leurs distances et leurs interactions changent, et la masse se conserve.
L’écriture symbolique de la vaporisation de l’éthanol est :
- A. C₂H₆O(g) → C₂H₆O(ℓ)
- B. C₂H₆O(ℓ) → C₂H₆O(g)
- C. C₂H₆O(s) → C₂H₆O(g)
- D. C₂H₆O(ℓ) → C₂H₆O(s)
Réponse
B. C₂H₆O(ℓ) → C₂H₆O(g) — Vaporisation : liquide → gaz. La formule C₂H₆O est la même des deux côtés, seul l’état change.
Lors de la fusion d’un solide cristallin, les entités :
- A. s’éloignent beaucoup les unes des autres
- B. restent au contact mais perdent leur rangement
- C. se cassent en entités plus petites
- D. se rangent de façon plus régulière
Réponse
B. restent au contact mais perdent leur rangement — Le solide est compact et ordonné, le liquide compact et désordonné : en fondant, les entités restent au contact mais quittent leur rangement régulier. Elles ne s’éloignent beaucoup qu’en passant à l’état gazeux.
Quel changement d’état est l’inverse de la condensation ?
- A. la liquéfaction
- B. la vaporisation
- C. la fusion
- D. la sublimation
Réponse
D. la sublimation — La condensation fait passer de l’état gazeux à l’état solide ; l’inverse, solide → gaz, est la sublimation. La liquéfaction est l’inverse de la vaporisation.
Dans la relation Q = m × L, la masse m s’exprime en :
- A. kilogrammes (kg)
- B. grammes (g)
- C. joules par kilogramme
- D. litres (L)
Réponse
A. kilogrammes (kg) — Q en joules, m en kilogrammes, L en J·kg⁻¹ : la masse doit être convertie en kg avant le calcul.
Une transformation exothermique est une transformation au cours de laquelle le système :
- A. reçoit de l’énergie du milieu extérieur
- B. n’échange aucune énergie avec l’extérieur
- C. cède de l’énergie au milieu extérieur
- D. voit toujours sa température monter
Réponse
C. cède de l’énergie au milieu extérieur — Exothermique : le système cède de l’énergie, le transfert thermique va du système vers le milieu extérieur. Sa température peut rester constante, comme sur un palier.
L’unité de l’énergie massique de changement d’état L est :
- A. le joule (J)
- B. le watt (W)
- C. le kilogramme par joule (kg·J⁻¹)
- D. le joule par kilogramme (J·kg⁻¹)
Réponse
D. le joule par kilogramme (J·kg⁻¹) — L est une énergie par kilogramme : J·kg⁻¹. Le joule est l’unité de Q, le watt celle d’une puissance.
Dans un sauna, de l’eau versée sur des pierres chaudes se vaporise aussitôt. Les pierres :
- A. reçoivent de l’énergie de l’eau et se réchauffent
- B. cèdent de l’énergie à l’eau et se refroidissent
- C. reçoivent de l’énergie de l’eau et se refroidissent
- D. n’échangent aucune énergie avec l’eau
Réponse
B. cèdent de l’énergie à l’eau et se refroidissent — La vaporisation est endothermique : l’eau reçoit de l’énergie, et ce sont les pierres qui la lui cèdent ; elles se refroidissent un peu.
Des granulés d’engrais soluble répandus au pied d’un rosier disparaissent après un arrosage. Les granulés :
- A. fondent : ils passent à l’état liquide
- B. se vaporisent : ils passent à l’état gazeux
- C. se dissolvent dans l’eau d’arrosage
- D. se subliment : ils passent à l’état gazeux
Réponse
C. se dissolvent dans l’eau d’arrosage — Les entités de l’engrais se dispersent entre les molécules de l’eau d’arrosage : c’est une dissolution. L’engrais n’est pas devenu liquide : il est dans l’eau, qui l’apporte aux racines.
Pour l’éthanol, L de fusion = 1,08 × 10⁵ J·kg⁻¹ et L de vaporisation = 8,4 × 10⁵ J·kg⁻¹. L’énergie massique de liquéfaction de l’éthanol vaut :
- A. −8,4 × 10⁵ J·kg⁻¹
- B. +8,4 × 10⁵ J·kg⁻¹
- C. −1,08 × 10⁵ J·kg⁻¹
- D. 8,4 × 10⁻⁵ J·kg⁻¹
Réponse
A. −8,4 × 10⁵ J·kg⁻¹ — La liquéfaction est l’inverse de la vaporisation, exothermique : L de liquéfaction = −L de vaporisation = −8,4 × 10⁵ J·kg⁻¹. La valeur 1,08 × 10⁵ concerne la fusion et la solidification.
Niveau moyen ★★ — 12 questions
Énergie à fournir pour vaporiser 0,35 kg d’eau à 100 °C (L de vaporisation = 2,26 × 10⁶ J·kg⁻¹) :
- A. 6,5 × 10⁶ J
- B. 7,9 × 10⁵ J
- C. 1,5 × 10⁻⁷ J
- D. 2,3 × 10⁶ J
Réponse
B. 7,9 × 10⁵ J — Q = m × L = 0,35 × 2,26 × 10⁶ ≈ 7,9 × 10⁵ J. Les autres valeurs viennent de L ÷ m, de m ÷ L ou de L seul, sans la masse.
L’équation de la solidification du cyclohexane est :
- A. C₆H₁₂(s) → C₆H₁₂(ℓ)
- B. C₆H₁₂(g) → C₆H₁₂(ℓ)
- C. C₆H₁₂(ℓ) → C₆H₁₂(g)
- D. C₆H₁₂(ℓ) → C₆H₁₂(s)
Réponse
D. C₆H₁₂(ℓ) → C₆H₁₂(s) — Solidification : liquide → solide. L’espèce C₆H₁₂ est la même des deux côtés, seul l’état change.
Masse de glace à 0 °C qui fond en recevant 5,01 × 10⁴ J (L de fusion = 3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹) :
- A. 0,150 kg
- B. 6,67 kg
- C. 1,67 × 10¹⁰ kg
- D. 1,50 kg
Réponse
A. 0,150 kg — m = Q ÷ L = 5,01 × 10⁴ ÷ 3,34 × 10⁵ = 0,150 kg. 6,67 kg vient de L ÷ Q, 1,67 × 10¹⁰ de Q × L, et 1,50 kg d’une erreur de puissance de dix.
Une flaque d’éthanol s’évapore sur la paillasse. Pour l’éthanol, cette transformation est :
- A. exothermique : il cède de l’énergie à la paillasse
- B. endothermique : il cède de l’énergie à l’air
- C. endothermique : il reçoit de l’énergie de la paillasse
- D. exothermique : il reçoit de l’énergie de l’air
Réponse
C. endothermique : il reçoit de l’énergie de la paillasse — Une vaporisation est endothermique : l’éthanol reçoit de l’énergie, cédée par la paillasse et l’air, qui se refroidissent. « Endothermique » et « cède » se contredisent.
Énergie échangée par 0,750 kg de vapeur d’eau qui se liquéfie (L de vaporisation = 2,26 × 10⁶ J·kg⁻¹) :
- A. +1,70 × 10⁶ J, reçue par l’eau
- B. −3,01 × 10⁶ J, cédée par l’eau
- C. +3,01 × 10⁶ J, reçue par l’eau
- D. −1,70 × 10⁶ J, cédée par l’eau
Réponse
D. −1,70 × 10⁶ J, cédée par l’eau — Liquéfaction, exothermique : L = −2,26 × 10⁶ J·kg⁻¹, donc Q = 0,750 × (−2,26 × 10⁶) ≈ −1,70 × 10⁶ J. 3,01 × 10⁶ vient de L ÷ m.
Quelle situation est une dissolution, et non une fusion ?
- A. des sels de bain disparaissent dans la baignoire
- B. une barre de chocolat coule au soleil
- C. de la neige devient de l’eau sur le trottoir
- D. un bâton de colle coule dans le pistolet chaud
Réponse
A. des sels de bain disparaissent dans la baignoire — Les sels de bain se dispersent dans l’eau, un solvant : dissolution. Le chocolat, la neige et la colle, chauffés seuls, passent à l’état liquide : fusions.
1 kg d’aluminium (L de fusion = 3,97 × 10⁵ J·kg⁻¹) et 1 kg de glace (L de fusion = 3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹) sont à leur température de fusion. Pour les faire fondre :
- A. la glace demande plus d’énergie que l’aluminium
- B. ils demandent la même énergie, à masse égale
- C. l’aluminium demande plus d’énergie que la glace
- D. on ne peut pas comparer, leurs températures diffèrent
Réponse
C. l’aluminium demande plus d’énergie que la glace — À masse égale, Q = m × L est la plus grande pour la plus grande valeur de L : 3,97 × 10⁵ J pour l’aluminium contre 3,34 × 10⁵ J pour la glace.
Une énergie de 1,20 × 10⁵ J fait fondre exactement 0,500 kg d’un solide à sa température de fusion. Son énergie massique de fusion vaut :
- A. 6,00 × 10⁴ J·kg⁻¹
- B. 2,40 × 10⁵ J·kg⁻¹
- C. 4,17 × 10⁻⁶ J·kg⁻¹
- D. 2,40 × 10² J·kg⁻¹
Réponse
B. 2,40 × 10⁵ J·kg⁻¹ — L = Q ÷ m = 1,20 × 10⁵ ÷ 0,500 = 2,40 × 10⁵ J·kg⁻¹. 6,00 × 10⁴ vient de Q × m, 4,17 × 10⁻⁶ de m ÷ Q, et 2,40 × 10² d’une masse laissée en grammes.
Pourquoi un brumisateur rafraîchit-il le visage par temps sec ?
- A. l’eau, en s’évaporant, prélève de l’énergie à la peau
- B. l’eau sort toujours plus froide que l’air ambiant
- C. l’eau, en s’évaporant, cède de l’énergie à la peau
- D. l’eau forme une couche qui isole la peau de l’air
Réponse
A. l’eau, en s’évaporant, prélève de l’énergie à la peau — La vaporisation est endothermique : les gouttelettes reçoivent de l’énergie de la peau, qui se refroidit. Ce n’est pas la température de l’eau pulvérisée qui compte.
Un appareil de puissance 500 W transmet toute son énergie à de l’eau bouillante pendant 2,0 min. L’eau reçoit :
- A. 1,0 × 10³ J
- B. 4,2 J
- C. 6,0 × 10⁴ J
- D. 0,24 J
Réponse
C. 6,0 × 10⁴ J — Δt = 2,0 min = 120 s, donc E = P × Δt = 500 × 120 = 60 000 J, soit 6,0 × 10⁴ J. 1,0 × 10³ J vient d’une durée laissée en minutes, 4,2 J de P ÷ Δt, 0,24 J de Δt ÷ P.
Dans une bombe de froid pour sportifs, un liquide sous pression se vaporise sur la peau. Pour la peau, cela entraîne :
- A. un réchauffement : elle reçoit de l’énergie du liquide
- B. un refroidissement : elle cède de l’énergie au liquide
- C. un refroidissement : elle reçoit de l’énergie du liquide
- D. aucun effet : un changement d’état n’échange rien
Réponse
B. un refroidissement : elle cède de l’énergie au liquide — La vaporisation du liquide est endothermique : il reçoit de l’énergie de la peau. La peau cède de l’énergie, elle se refroidit.
On double la masse d’eau qui se vaporise à 100 °C. L’énergie reçue par l’eau :
- A. ne change pas, car L ne change pas
- B. est divisée par deux, car L est par kilogramme
- C. double, car L double aussi
- D. double, car Q est proportionnelle à m
Réponse
D. double, car Q est proportionnelle à m — Q = m × L avec L fixé pour l’eau à 100 °C : si m double, Q double. L, énergie par kilogramme, ne dépend pas de la masse.
Niveau difficile ★★★ — 12 questions
Pendant la fusion de la glace pure, on continue de chauffer mais la température reste à 0 °C. L’énergie reçue sert à :
- A. augmenter l’agitation des molécules, donc leur température
- B. casser les molécules d’eau en atomes d’hydrogène et d’oxygène
- C. rien : elle est entièrement perdue dans l’air de la pièce
- D. affaiblir les interactions et défaire l’ordre du solide
Réponse
D. affaiblir les interactions et défaire l’ordre du solide — Sur le palier, l’énergie reçue modifie l’organisation des molécules et leurs interactions, pas leur agitation : la température ne bouge pas. Les molécules H₂O restent intactes.
Dans un congélateur, une couche de givre se forme sur les parois à partir de la vapeur d’eau de l’air. C’est :
- A. une solidification, endothermique
- B. une condensation, exothermique
- C. une liquéfaction, exothermique
- D. une sublimation, endothermique
Réponse
B. une condensation, exothermique — La vapeur d’eau passe directement à l’état solide : condensation (gaz → solide), transformation exothermique.
Énergie à fournir pour faire fondre 150 g de plomb à sa température de fusion (L de fusion = 2,30 × 10⁴ J·kg⁻¹) :
- A. 3,45 × 10⁶ J
- B. 1,53 × 10² J
- C. 3,45 × 10³ J
- D. 6,52 × 10⁻⁶ J
Réponse
C. 3,45 × 10³ J — Masse en kg : 0,150 kg. Q = 0,150 × 2,30 × 10⁴ = 3,45 × 10³ J. Garder 150 (grammes) donne un résultat 1 000 fois trop grand.
Lors de la solidification de 2,0 kg d’eau (L de fusion = 3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹), l’énergie échangée par l’eau vaut :
- A. −6,68 × 10⁵ J, cédée par l’eau
- B. +6,68 × 10⁵ J, reçue par l’eau
- C. +1,67 × 10⁵ J, reçue par l’eau
- D. −1,67 × 10⁵ J, cédée par l’eau
Réponse
A. −6,68 × 10⁵ J, cédée par l’eau — L de solidification = −L de fusion, donc Q = 2,0 × (−3,34 × 10⁵) = −6,68 × 10⁵ J : la solidification est exothermique, l’eau cède de l’énergie.
Un élève affirme : « l’eau qui bout se décompose en dihydrogène et en dioxygène ». Quelle observation le contredit ?
- A. les bulles montent du fond vers la surface du liquide
- B. la masse d’eau dans la casserole diminue peu à peu
- C. la vapeur, refroidie, redonne de l’eau liquide identique
- D. la température de l’eau reste égale à 100 °C
Réponse
C. la vapeur, refroidie, redonne de l’eau liquide identique — Si la vapeur refroidie redonne de l’eau, ses molécules sont restées des molécules H₂O : c’est un changement d’état, pas une décomposition. Les autres observations ne permettent pas de trancher.
De l’eau pure bout dans une casserole ouverte ; on règle la plaque sur une puissance plus grande. La température de l’eau :
- A. reste à 100 °C, et l’eau se vaporise plus vite
- B. monte au-dessus de 100 °C, et l’eau bout plus fort
- C. reste à 100 °C, et l’eau se vaporise moins vite
- D. baisse, car la vaporisation absorbe plus d’énergie
Réponse
A. reste à 100 °C, et l’eau se vaporise plus vite — Pendant l’ébullition d’un corps pur sous pression constante, la température reste constante (palier). Plus d’énergie par seconde vaporise plus de masse par seconde : P × Δt = m × L.
Pour mesurer L de vaporisation de l’eau, on divise l’énergie fournie par une bouilloire par la masse d’eau vaporisée. À cause des pertes vers l’air, la valeur obtenue est :
- A. trop petite
- B. exacte
- C. négative
- D. trop grande
Réponse
D. trop grande — Une partie de l’énergie fournie ne sert pas à vaporiser l’eau : on divise une énergie trop grande par la masse réellement vaporisée, d’où un L trop grand.
Pendant la solidification d’un corps pur, sa température reste constante alors qu’il cède de l’énergie. Cette énergie provient :
- A. de la destruction d’une partie des entités du liquide
- B. des interactions qui se créent entre entités qui se rangent
- C. de l’agitation des entités, qui augmente sur le palier
- D. d’un apport extérieur, par exemple celui d’une flamme
Réponse
B. des interactions qui se créent entre entités qui se rangent — En se rangeant dans le solide, les entités établissent des interactions plus fortes : c’est cette énergie qui est cédée, sans baisse de l’agitation, donc sans baisse de température.
Dans l’écriture H₂O(ℓ) → H₂O(g), qu’est-ce qui est conservé ?
- A. l’état physique et la masse
- B. l’espèce chimique et la masse
- C. le volume et l’espèce chimique
- D. l’organisation des molécules
Réponse
B. l’espèce chimique et la masse — Les molécules H₂O restent les mêmes : l’espèce et la masse se conservent. L’état, l’organisation des molécules et le volume changent.
Un bloc de 0,500 kg de glace à 0 °C reçoit 1,00 × 10⁵ J (L de fusion = 3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹). À la fin, il y a environ :
- A. 0,20 kg d’eau liquide et 0,30 kg de glace
- B. 0,500 kg d’eau liquide, toute la glace a fondu
- C. 0,500 kg de glace, rien n’a fondu à 0 °C
- D. 0,30 kg d’eau liquide et 0,20 kg de glace
Réponse
D. 0,30 kg d’eau liquide et 0,20 kg de glace — m fondue = 1,00 × 10⁵ ÷ 3,34 × 10⁵ ≈ 0,299 kg ≈ 0,30 kg d’eau liquide ; il reste 0,500 − 0,299 ≈ 0,20 kg de glace.
Quelle affirmation sur la fusion et la dissolution est juste ?
- A. une fusion concerne un seul corps, une dissolution au moins deux
- B. une fusion et une dissolution donnent toujours un mélange
- C. une dissolution exige toujours de chauffer le soluté
- D. une fusion ne peut se produire que dans de l’eau
Réponse
A. une fusion concerne un seul corps, une dissolution au moins deux — La fusion fait passer un seul corps de l’état solide à l’état liquide ; la dissolution disperse un soluté dans un solvant, ce qui donne un mélange (une solution).
À leur température d’ébullition, on vaporise la même masse d’eau (L de vaporisation = 2,26 × 10⁶ J·kg⁻¹) et d’éthanol (L de vaporisation = 8,4 × 10⁵ J·kg⁻¹). L’eau demande :
- A. environ 2,7 fois moins d’énergie
- B. autant d’énergie, à masse égale
- C. environ 2,7 fois plus d’énergie
- D. environ 1,4 × 10⁶ J de plus, quelle que soit la masse
Réponse
C. environ 2,7 fois plus d’énergie — À masse égale, Q = m × L est proportionnelle à L : 2,26 × 10⁶ ÷ 8,4 × 10⁵ ≈ 2,7. L’écart en joules, lui, dépend de la masse.
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