Les changements d'état de l'eau

Exercice 1 — Noms des changements d'état
Question 1 — Noms des changements d'état

• a) Passage de l'état liquide à l'état solide : la solidification.
• b) Passage de l'état liquide à l'état gazeux : la vaporisation.
• c) Passage direct de l'état solide à l'état gazeux : la sublimation.
• d) Passage de l'état gazeux à l'état liquide : la condensation.

Question 2 — Énergie absorbée ou libérée

• a) Solidification (liquide → solide) : énergie libérée (le corps se refroidit, les molécules s'organisent en relâchant de l'énergie).
• b) Vaporisation (liquide → gaz) : énergie absorbée (il faut apporter de la chaleur pour transformer l'eau en vapeur).
• c) Sublimation (solide → gaz) : énergie absorbée (il faut fournir de l'énergie pour passer directement du solide au gaz).
• d) Condensation (gaz → liquide) : énergie libérée (la vapeur libère de la chaleur en redevenant liquide).

Règle générale : les changements d'état qui vont vers un état « plus désorganisé » (solide → liquide → gaz) absorbent de l'énergie ; ceux qui vont vers un état « plus organisé » (gaz → liquide → solide) libèrent de l'énergie.

Exercice 2 — Températures de l'eau pure
Question 1 — Températures de l'eau pure

• L'eau pure se solidifie à 0 °C (à pression atmosphérique normale).
• L'eau pure bout à 100 °C (à pression atmosphérique normale).
• Ces températures ne sont pas valables pour l'eau salée : l'eau salée (comme l'eau de mer) se solidifie en dessous de 0 °C et bout au-dessus de 100 °C. Les substances dissoutes modifient les températures de changement d'état. C'est pour cela qu'on sale les routes en hiver : le sel empêche la formation de verglas à 0 °C.

Question 2 — État de l'eau dans le bécher à 0 °C
Si le thermomètre indique 0 °C dans le bécher contenant de la glace et de l'eau, cela signifie qu'il y a coexistence des deux états : la glace est en train de fondre (ou l'eau est en train de se solidifier). C'est le palier de fusion/solidification : tant qu'il reste à la fois de la glace et de l'eau liquide, la température reste fixée à 0 °C. On dit que les deux états coexistent à 0 °C.

Exercice 3 — Le palier de température
Question 1 — Description de la courbe température-temps lors du chauffage depuis −15 °C

• Phase 1 (de −15 °C à 0 °C) : la température monte progressivement. L'eau est entièrement à l'état solide (glace).
• Palier 1 (à 0 °C) : la température reste constante à 0 °C malgré le chauffage. C'est la fusion de la glace : la glace se transforme progressivement en eau liquide. Ce palier dure jusqu'à ce que toute la glace soit fondue.
• Phase 2 (de 0 °C à 100 °C) : la température monte à nouveau. L'eau est entièrement à l'état liquide.
• Palier 2 (à 100 °C) : la température reste constante à 100 °C. C'est l'ébullition (vaporisation) de l'eau : l'eau liquide se transforme en vapeur d'eau. Ce palier dure jusqu'à ce que toute l'eau soit vaporisée.
• Phase 3 (au-delà de 100 °C) : la température remonte. Il ne reste que de la vapeur d'eau (état gazeux).

Question 2 — Pourquoi la température reste-t-elle à 0 °C pendant la fonte ?
Pendant la fusion, l'énergie fournie par le chauffage est entièrement utilisée pour changer l'état de la matière (transformer la glace en eau liquide), c'est-à-dire pour réorganiser les molécules d'eau. Elle ne sert pas à augmenter la température. C'est ce qu'on appelle l'énergie de changement d'état. La température ne reprend sa montée qu'une fois que tout le solide est fondu.

Question 3 — Palier sur une courbe de refroidissement
Sur une courbe de refroidissement de l'eau, un palier apparaît à 0 °C. Ce palier correspond à la solidification (passage de l'état liquide à l'état solide). De même que lors du chauffage, la température reste constante à 0 °C pendant tout le temps que dure la solidification, car l'énergie libérée sert à organiser les molécules en réseau cristallin.

Exercice 4 — Conservation de la masse
Question 1 — Masse d'eau liquide obtenue après fusion de 350 g de glace
Lors d'un changement d'état, la masse se conserve (loi de conservation de la masse).
Calcul :
m(eau liquide) = m(glace) = 350 g
On obtient donc 350 g d'eau liquide après fusion complète des 350 g de glace.

Question 2 — Masse de vapeur lors de l'évaporation dans un récipient fermé ou ouvert

• Récipient fermé : la vapeur d'eau ne peut pas s'échapper. La masse se conserve : il y a donc 350 g de vapeur d'eau dans le récipient fermé.
• Récipient ouvert : la vapeur d'eau s'échappe dans l'air ambiant au fur et à mesure de l'évaporation. Une fois l'évaporation complète, il ne reste 0 g d'eau dans le bécher (toute l'eau est partie sous forme de vapeur dans l'atmosphère).

Remarque : dans les deux cas, la masse totale de matière (eau + vapeur) est conservée ; c'est seulement ce qui reste dans le récipient qui diffère.

Exercice 5 — Situation de la vie courante
Question 1 — Gouttelettes sur l'extérieur d'une bouteille froide

• a) L'état initial de l'eau qui forme ces gouttelettes : l'eau était à l'état gazeux (vapeur d'eau présente dans l'air ambiant).
• b) Le changement d'état qui s'est produit : la condensation (passage de l'état gazeux à l'état liquide). La vapeur d'eau de l'air s'est transformée en eau liquide au contact de la surface froide de la bouteille.
• c) D'où vient cette eau : elle vient de l'air ambiant, qui contient toujours de la vapeur d'eau (humidité de l'air). Ce n'est pas l'eau contenue à l'intérieur de la bouteille qui a traversé la paroi.

Question 2 — Formation de givre (passage gaz → solide)
Le phénomène qui explique la formation de givre sur les feuilles par une nuit d'hiver est la liquéfaction (aussi appelée condensation solide). La vapeur d'eau de l'air passe directement de l'état gazeux à l'état solide (givre) au contact des feuilles dont la température est inférieure à 0 °C, sans passer par l'état liquide.