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Exercices – Matière, matériaux et transformations nucléaires

Chapitre 7 | Terminale STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Exercices progressifs corrigés. Cherche chaque exercice avant de dérouler la correction. Données : \(c_{eau}=4180\ \text{J·kg}^{-1}\text{·K}^{-1}\), \(L_f=3{,}34\times10^{5}\ \text{J·kg}^{-1}\), \(L_v=2{,}26\times10^{6}\ \text{J·kg}^{-1}\), \(c=3{,}0\times10^{8}\ \text{m·s}^{-1}\), \(\ln 2\approx0{,}69\).

Exercice 1 — Changements d'état et liaisons hydrogène

(a) Nommer les six changements d'état d'un corps pur.
(b) Quand on chauffe de la glace pour la faire fondre, les liaisons hydrogène entre molécules d'eau sont-elles établies ou rompues ?
(c) La liquéfaction de la vapeur d'eau absorbe-t-elle ou libère-t-elle de l'énergie ?

(a) Fusion (solide→liquide), solidification (liquide→solide), vaporisation (liquide→gaz), liquéfaction (gaz→liquide), sublimation (solide→gaz), condensation solide (gaz→solide).

(b) La fusion rompt une partie des liaisons hydrogène du réseau de glace : il faut apporter de l'énergie.

(c) La liquéfaction établit des liaisons hydrogène : elle libère de l'énergie.

Exercice 2 — Lecture d'un diagramme d'état (P, T)

Sur le diagramme d'état de l'eau, un point M est à \(T=25\ °\text{C}\) et \(P=1\ \text{bar}\) : l'eau y est liquide.

(a) Dans quel état est l'eau au point M ?
(b) On chauffe à pression constante (1 bar) jusqu'à \(120\ °\text{C}\). Quel(s) changement(s) d'état l'eau subit-elle ?
(c) À très basse pression (au-dessous du point triple), en chauffant de la glace, quel changement d'état direct observe-t-on ?

(a) L'eau est liquide (le point tombe dans le domaine liquide).

(b) En chauffant à 1 bar, le point se déplace vers la droite et franchit la courbe de vaporisation à \(100\ °\text{C}\) : l'eau se vaporise ; à \(120\ °\text{C}\) elle est à l'état gazeux (vapeur).

(c) Sous le point triple, on franchit la courbe de sublimation : la glace passe directement à l'état gazeux, c'est la sublimation.

Exercice 3 — Chauffer de l'eau liquide

Un chauffe-eau porte \(m=1{,}5\) kg d'eau liquide de \(15\ °\text{C}\) à \(65\ °\text{C}\), sans changement d'état.

(a) Quelle formule utiliser ? (b) Calculer l'énergie \(Q\) nécessaire.

(a) Chauffage sans changement d'état → \(Q=m\,c\,\Delta T\).

(b) \(\Delta T=65-15=50\ °\text{C}=50\) K. \(Q=1{,}5\times4180\times50=3{,}1\times10^{5}\ \text{J}\) (soit \(\approx3{,}1\times10^{5}\) J).

Exercice 4 — Chauffer puis vaporiser

On veut transformer \(m=0{,}20\) kg d'eau liquide à \(100\ °\text{C}\) en vapeur à \(100\ °\text{C}\).

(a) Y a-t-il changement de température ? (b) Calculer l'énergie \(Q\) de la vaporisation. (c) Comparer à l'énergie qu'il faut pour chauffer cette même eau de \(20\ °\text{C}\) à \(100\ °\text{C}\).

(a) Non : pendant la vaporisation, la température reste à \(100\ °\text{C}\) (palier).

(b) \(Q_{vap}=m\,L_v=0{,}20\times2{,}26\times10^{6}=4{,}5\times10^{5}\ \text{J}\).

(c) Chauffage : \(Q_{ch}=m\,c\,\Delta T=0{,}20\times4180\times(100-20)=6{,}7\times10^{4}\ \text{J}\). La vaporisation (\(4{,}5\times10^{5}\) J) demande environ 7 fois plus d'énergie que le chauffage : rompre les liaisons hydrogène coûte cher en énergie.

Exercice 5 — Rayonnements et équations nucléaires

(a) Citer les trois rayonnements radioactifs et la particule émise dans chaque cas.
(b) Le radium \(^{226}_{\ 88}\text{Ra}\) est radioactif α. Écrire l'équation (noyau fils : radon, symbole Rn).
(c) Le potassium \(^{40}_{19}\text{K}\) est radioactif β\(^-\). Écrire l'équation (noyau fils : calcium, symbole Ca).

(a) α : noyau d'hélium \(^{4}_{2}\text{He}\) ; β\(^-\) : électron \(^{\ 0}_{-1}\text{e}\) ; γ : photon (rayonnement électromagnétique).

(b) \(^{226}_{\ 88}\text{Ra}\;\rightarrow\;^{222}_{\ 86}\text{Rn}\;+\;^{4}_{2}\text{He}\). Vérification : \(A\) : \(226=222+4\) ✓ ; \(Z\) : \(88=86+2\) ✓.

(c) \(^{40}_{19}\text{K}\;\rightarrow\;^{40}_{20}\text{Ca}\;+\;^{\ 0}_{-1}\text{e}\). Vérification : \(A\) : \(40=40+0\) ✓ ; \(Z\) : \(19=20+(-1)\) ✓.

Exercice 6 — Activité et demi-vie

Une source de technétium 99m (usage médical) a une demi-vie \(t_{1/2}=6{,}0\) heures et contient au départ \(N_0=1{,}6\times10^{11}\) noyaux.

(a) Que signifie « activité 1 Bq » ? (b) Combien de noyaux reste-t-il après 6 h ? après 12 h ? après 18 h ? (c) Calculer la constante de temps \(\tau\).

(a) \(1\ \text{Bq}=1\) désintégration par seconde. L'activité est le nombre de désintégrations par seconde de la source.

(b) Après 6 h (1 demi-vie) : \(N_0/2=8{,}0\times10^{10}\). Après 12 h (2) : \(N_0/4=4{,}0\times10^{10}\). Après 18 h (3) : \(N_0/8=2{,}0\times10^{10}\).

(c) \(\tau=\dfrac{t_{1/2}}{\ln 2}=\dfrac{6{,}0}{0{,}69}\approx8{,}7\ \text{h}\).

Exercice 7 — Loi de décroissance \(N(t)=N_0\,e^{-t/\tau}\)

Un échantillon de \(N_0=5{,}0\times10^{12}\) noyaux a une constante de temps \(\tau=10\) jours.

(a) Calculer le nombre de noyaux restants après \(t=10\) jours (on prendra \(e^{-1}\approx0{,}37\)).
(b) Calculer la demi-vie \(t_{1/2}\).
(c) Après combien de demi-vies ne reste-t-il plus que \(N_0/8\) des noyaux ?

(a) \(N(10)=N_0\,e^{-10/10}=5{,}0\times10^{12}\times e^{-1}=5{,}0\times10^{12}\times0{,}37=1{,}9\times10^{12}\) noyaux.

(b) \(t_{1/2}=\tau\,\ln 2=10\times0{,}69\approx6{,}9\ \text{jours}\).

(c) \(N_0/8=N_0/2^3\) : il faut 3 demi-vies (÷2 trois fois de suite), soit environ \(3\times6{,}9\approx21\) jours.

Exercice 8 — Fission, fusion et énergie

(a) Distinguer en une phrase la fission et la fusion.
(b) Vérifier que l'équation de fission \(^{235}_{\ 92}\text{U}+^{1}_{0}\text{n}\;\rightarrow\;^{94}_{38}\text{Sr}+^{140}_{\ 54}\text{Xe}+2\,^{1}_{0}\text{n}\) est équilibrée.
(c) Le défaut de masse de cette fission est \(\Delta m=3{,}1\times10^{-28}\) kg. Calculer l'énergie \(E\) libérée.

(a) Fission : un noyau lourd se casse en deux noyaux plus légers. Fusion : deux noyaux légers s'assemblent en un noyau plus lourd. Les deux libèrent de l'énergie.

(b) \(A\) : \(235+1=236\) à gauche ; \(94+140+2\times1=236\) à droite ✓. \(Z\) : \(92+0=92\) à gauche ; \(38+54+2\times0=92\) à droite ✓. L'équation est équilibrée.

(c) \(E=\Delta m\,c^2=3{,}1\times10^{-28}\times(3{,}0\times10^{8})^2=3{,}1\times10^{-28}\times9{,}0\times10^{16}=2{,}8\times10^{-11}\ \text{J}\).

Problème type — bilan d'un petit générateur radio-isotopique

Une sonde spatiale est alimentée par une source contenant du plutonium 238, radioactif α, de demi-vie \(t_{1/2}=88\) ans. Au lancement, la source contient \(N_0=1{,}0\times10^{24}\) noyaux.

(a) Écrire l'équation de désintégration α du \(^{238}_{\ 94}\text{Pu}\) (noyau fils : uranium, symbole U).
(b) La source est-elle de radioactivité naturelle ou artificielle ? Justifier.
(c) Combien de noyaux restera-t-il après 88 ans ? après 176 ans ?
(d) Chaque désintégration libère une énergie correspondant à un défaut de masse \(\Delta m=1{,}0\times10^{-28}\) kg. Calculer l'énergie \(E\) libérée par une désintégration.
(e) Expliquer en une phrase pourquoi une telle source est adaptée à une mission spatiale de longue durée.

(a) \(^{238}_{\ 94}\text{Pu}\;\rightarrow\;^{234}_{\ 92}\text{U}\;+\;^{4}_{2}\text{He}\). Vérification : \(A\) : \(238=234+4\) ✓ ; \(Z\) : \(94=92+2\) ✓.

(b) Le plutonium 238 n'existe pas naturellement : il est fabriqué par l'homme en réacteur → radioactivité artificielle.

(c) Après 88 ans (1 demi-vie) : \(N_0/2=5{,}0\times10^{23}\) noyaux. Après 176 ans (2 demi-vies) : \(N_0/4=2{,}5\times10^{23}\) noyaux.

(d) \(E=\Delta m\,c^2=1{,}0\times10^{-28}\times(3{,}0\times10^{8})^2=1{,}0\times10^{-28}\times9{,}0\times10^{16}=9{,}0\times10^{-12}\ \text{J}\).

(e) Sa demi-vie de 88 ans assure une production d'énergie stable et durable pendant des décennies, sans entretien ni lumière solaire : idéal pour les sondes lointaines.