Chapitre 10 | Terminale STL — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
Durée : 1 h — Barème : /20 — Calculatrice autorisée
Les réponses doivent être justifiées. Le soin, les unités et les signes des enthalpies sont notés. Donnée : \(c_{eau}=4185\ \text{J·kg}^{-1}\text{·K}^{-1}\).
1. Citer les trois courbes qui séparent les domaines d'un diagramme d'état (P,T) et les deux états qu'elles séparent chacune. (1,5 pt)
2. Définir le point triple et le point critique. (1,5 pt)
3. Pour chacun de ces changements d'état, indiquer son nom et le signe de son enthalpie : (a) liquide → gaz ; (b) gaz → solide ; (c) solide → liquide. (2 pts)
4. Expliquer en une phrase pourquoi la fusion de la glace « refroidit » une boisson. (1 pt)
1. Courbe de fusion (solide / liquide) ; courbe de vaporisation (liquide / gaz) ; courbe de sublimation (solide / gaz). (0,5 pt chacune)
2. Point triple : unique couple (P,T) où les trois états coexistent en équilibre. Point critique : fin de la courbe de vaporisation ; au-delà, liquide et gaz ne se distinguent plus.
3. (a) vaporisation, \(\Delta H > 0\) (endothermique) ; (b) condensation (à l'état solide), \(\Delta H < 0\) (exothermique) ; (c) fusion, \(\Delta H > 0\) (endothermique).
4. La fusion est endothermique : pour fondre, la glace prélève de la chaleur à la boisson, qui se refroidit.
On étudie la combustion complète de l'éthanol (biocarburant) :
\(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}(\text{l})+3\,\text{O}_2(\text{g})\longrightarrow 2\,\text{CO}_2(\text{g})+3\,\text{H}_2\text{O}(\text{l})\)
Données (kJ·mol\(^{-1}\)) :
| Espèce | \(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}(\text{l})\) | \(\text{O}_2(\text{g})\) | \(\text{CO}_2(\text{g})\) | \(\text{H}_2\text{O}(\text{l})\) |
|---|---|---|---|---|
| \(\Delta_f H^{\circ}\) | −278 | 0 | −394 | −286 |
1. Rappeler l'expression de la loi de Hess. (1,5 pt)
2. Calculer \(\Delta_r H^{\circ}\) de la combustion. (3 pts)
3. La réaction est-elle exothermique, endothermique ou athermique ? Justifier. (1,5 pt)
4. On brûle \(n=0{,}50\ \text{mol}\) d'éthanol pour chauffer \(m=2{,}0\ \text{kg}\) d'eau à \(18\ ^{\circ}\text{C}\). En supposant toute l'énergie transmise à l'eau, calculer sa température finale. (2 pts)
1. \(\Delta_r H^{\circ}=\displaystyle\sum_{\text{produits}}\nu\,\Delta_f H^{\circ}-\sum_{\text{réactifs}}\nu\,\Delta_f H^{\circ}\).
2. \(\Delta_r H^{\circ}=[2\times(-394)+3\times(-286)]-[(-278)+3\times0]=[-788-858]-(-278)=-1646+278=-1368\ \text{kJ·mol}^{-1}\).
3. \(\Delta_r H^{\circ}<0\) : la réaction est exothermique (elle libère de la chaleur).
4. Énergie libérée : \(Q=n\times|\Delta_r H^{\circ}|=0{,}50\times1368=684\ \text{kJ}=6{,}84\times10^{5}\ \text{J}\).
\(\Delta T=\dfrac{Q}{m\,c}=\dfrac{6{,}84\times10^{5}}{2{,}0\times4185}=\dfrac{6{,}84\times10^{5}}{8{,}37\times10^{3}}\approx82\ ^{\circ}\text{C}\). Comme \(18+82=100\ ^{\circ}\text{C}\), l'eau atteint sa température d'ébullition : elle bout (température finale \(\approx100\ ^{\circ}\text{C}\)).
Pour estimer le pouvoir calorifique d'une bougie (paraffine), on la fait brûler sous un récipient contenant \(m_{eau}=0{,}30\ \text{kg}\) d'eau. On mesure : masse de bougie consommée \(m_{comb}=1{,}2\ \text{g}\), élévation de température de l'eau \(\Delta T=25\ ^{\circ}\text{C}\).
1. Calculer la chaleur \(Q\) reçue par l'eau. (2 pts)
2. En déduire le pouvoir calorifique estimé \(PC=Q/m_{comb}\), en J·kg\(^{-1}\) puis en MJ·kg\(^{-1}\). (2 pts)
3. La valeur tabulée de la paraffine est d'environ \(42\ \text{MJ·kg}^{-1}\). L'estimation est-elle plus faible ou plus grande ? Proposer une explication. (2 pts)
1. \(Q=m_{eau}\,c_{eau}\,\Delta T=0{,}30\times4185\times25=3{,}14\times10^{4}\ \text{J}\approx31\ \text{kJ}\).
2. \(PC=\dfrac{Q}{m_{comb}}=\dfrac{3{,}14\times10^{4}}{1{,}2\times10^{-3}}\approx2{,}6\times10^{7}\ \text{J·kg}^{-1}=26\ \text{MJ·kg}^{-1}\).
3. L'estimation (26 MJ·kg⁻¹) est plus faible que la valeur tabulée (42 MJ·kg⁻¹). Explication : une partie de la chaleur est perdue (réchauffement de l'air et du récipient, rayonnement, combustion incomplète) et n'a pas servi à chauffer l'eau.