Chapitre 12 | Physique-Chimie | 2nde Bac Pro | ⏱ 35 min
Lucas est technicien chauffagiste dans l'entreprise « Thermoconfort » à Strasbourg. Il intervient sur une chaudière industrielle qui produit de la vapeur d'eau pour alimenter un réseau de chauffage. Lors d'un contrôle de mise en service, il place une sonde de température dans le réservoir d'eau de la chaudière et enregistre la température au cours du temps pendant que l'eau est chauffée de 20 °C jusqu'au-delà de 100 °C.
Voici les relevés de Lucas :
| Temps t (min) | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 24 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Température T (°C) | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
Données :
Figure — Courbe de chauffage de l'eau enregistrée par Lucas
Pourquoi la température reste-t-elle constante lors d'un changement d'état, et quelle énergie est mise en jeu ?
À partir du tableau de mesures, identifier :
a) La température initiale de l'eau au début de l'expérience (\(t = 0\) min).
b) La température maximale atteinte par l'eau.
c) La durée totale de l'enregistrement.
a) À \(t = 0\) min, la température initiale est \(T_i = 20\) °C.
b) La température maximale atteinte est \(T = 100\) °C. Elle est atteinte à \(t = 16\) min et ne dépasse plus cette valeur.
c) La durée totale de l'enregistrement est de 24 minutes (de \(t = 0\) à \(t = 24\) min).
En observant la courbe de chauffage, décrire l'évolution de la température en deux phases distinctes :
a) Que se passe-t-il entre \(t = 0\) min et \(t = 16\) min ?
b) Que se passe-t-il entre \(t = 16\) min et \(t = 24\) min ?
a) Phase 1 (0 à 16 min) : la température augmente régulièrement de 20 °C à 100 °C. L'eau liquide se réchauffe.
b) Phase 2 (16 à 24 min) : la température reste constante à 100 °C. C'est un palier de température. L'eau continue de recevoir de l'énergie mais sa température ne change plus.
Repérer sur la courbe la zone où la température reste constante (le palier).
a) À quelle température se situe ce palier ?
b) Quelle est la durée de ce palier ?
c) L'eau reçoit-elle encore de l'énergie de la chaudière pendant ce palier ?
a) Le palier se situe à \(T = 100\) °C.
b) Le palier dure de \(t = 16\) min à \(t = 24\) min, soit 8 minutes.
c) Oui, la chaudière continue de chauffer l'eau pendant le palier. L'énergie est toujours fournie, mais elle ne sert plus à augmenter la température.
Pendant le palier à 100 °C, Lucas observe que des bulles se forment dans l'eau et que de la vapeur s'échappe du réservoir.
a) Quel phénomène physique se produit à 100 °C ? Nommer le changement d'état correspondant.
b) Préciser le passage d'un état à un autre (par exemple : « solide → liquide »).
a) Le phénomène est l'ébullition. Le changement d'état correspondant est la vaporisation (passage de l'état liquide à l'état gazeux).
b) Liquide → Gaz (l'eau liquide se transforme en vapeur d'eau).
Pendant le palier, la chaudière fournit de l'énergie à l'eau mais la température ne monte pas.
Expliquer à quoi sert l'énergie fournie pendant le palier de température.
Pendant le palier, toute l'énergie fournie par la chaudière est utilisée pour transformer l'eau liquide en vapeur d'eau (changement d'état). L'énergie ne sert plus à augmenter la température : elle sert à rompre les liaisons entre les molécules d'eau pour les faire passer de l'état liquide à l'état gazeux.
C'est pourquoi la température reste constante à 100 °C tant que le changement d'état n'est pas terminé.
Pendant la phase de chauffage (de 20 °C à 100 °C), l'eau absorbe de l'énergie thermique.
Calculer l'énergie thermique \(Q\) reçue par l'eau en utilisant la formule :
\[Q = m \times c \times \Delta T\]avec \(m = 5\) kg, \(c = 4\,180\) J/(kg·°C), et \(\Delta T = T_{\text{finale}} - T_{\text{initiale}}\).
a) Calculer la variation de température \(\Delta T\).
b) Calculer l'énergie thermique \(Q\) en joules.
c) Convertir le résultat en kilojoules (1 kJ = 1 000 J).
a) Variation de température :
\[\Delta T = T_{\text{finale}} - T_{\text{initiale}} = 100 - 20 = 80 \text{ °C}\]b) Énergie thermique :
\[Q = m \times c \times \Delta T = 5 \times 4\,180 \times 80\] \[Q = 1\,672\,000 \text{ J}\]c) Conversion en kilojoules :
\[Q = \frac{1\,672\,000}{1\,000} = 1\,672 \text{ kJ}\]L'eau a reçu 1 672 kJ d'énergie thermique pour passer de 20 °C à 100 °C.
Il existe six changements d'état de la matière. Compléter le tableau suivant en indiquant le nom de chaque changement d'état et la transition correspondante :
| N° | Nom du changement d'état | Transition |
|---|---|---|
| 1 | .................. | Solide → Liquide |
| 2 | .................. | Liquide → Solide |
| 3 | .................. | Liquide → Gaz |
| 4 | .................. | Gaz → Liquide |
| 5 | .................. | Solide → Gaz |
| 6 | .................. | Gaz → Solide |
| N° | Nom du changement d'état | Transition |
|---|---|---|
| 1 | Fusion | Solide → Liquide |
| 2 | Solidification | Liquide → Solide |
| 3 | Vaporisation | Liquide → Gaz |
| 4 | Condensation (ou liquéfaction) | Gaz → Liquide |
| 5 | Sublimation | Solide → Gaz |
| 6 | Condensation solide | Gaz → Solide |
Remarques :
Après la mise en service, Lucas éteint la chaudière et enregistre la courbe de refroidissement de la vapeur d'eau. Il observe le relevé suivant :
| Temps t (min) | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Température T (°C) | 100 | 100 | 100 | 90 | 80 | 70 | 60 | 50 |
a) Identifier le palier de température sur cette courbe de refroidissement. À quelle température se situe-t-il ?
b) Quel changement d'état se produit pendant ce palier ? Nommer-le.
c) Ce résultat est-il cohérent avec ce que vous avez observé lors du chauffage ? Justifier.
a) Le palier se situe à \(T = 100\) °C, entre \(t = 0\) min et \(t = 4\) min (durée : 4 min).
b) Pendant le refroidissement, la vapeur d'eau (gaz) se transforme en eau liquide. Ce changement d'état s'appelle la condensation (ou liquéfaction). C'est le passage de l'état gazeux à l'état liquide.
c) Oui, c'est cohérent. Lors du chauffage, le palier à 100 °C correspondait à la vaporisation (liquide → gaz). Lors du refroidissement, le palier à 100 °C correspond à la condensation (gaz → liquide), qui est le changement d'état inverse. La température du palier est la même dans les deux cas : c'est la température de changement d'état de l'eau.
Lucas se demande pourquoi la chaudière doit fournir beaucoup d'énergie pour transformer l'eau en vapeur, même si la température ne change pas.
En vous appuyant sur vos réponses précédentes, expliquer en quelques phrases la différence entre :
Lorsqu'on chauffe l'eau de 20 °C à 100 °C, l'énergie fournie sert à augmenter la température de l'eau. L'agitation des molécules augmente et on peut calculer cette énergie avec \(Q = m \times c \times \Delta T\).
Lorsque l'eau bout à 100 °C, l'énergie fournie ne sert plus à augmenter la température : elle sert à rompre les liaisons entre les molécules pour les faire passer de l'état liquide à l'état gazeux. C'est pourquoi la température reste constante pendant le changement d'état.
Ces deux types d'énergie sont de natures différentes : l'un modifie la température, l'autre modifie l'état physique.
Rédiger un court bilan (3 à 5 phrases) résumant ce que vous avez appris dans cette activité. Votre bilan doit mentionner :
Exemple de bilan :
Lors du chauffage de l'eau, la température augmente régulièrement jusqu'à 100 °C, puis reste constante : c'est le palier de température. Ce palier correspond à un changement d'état appelé vaporisation (passage de l'état liquide à l'état gazeux). Pendant le palier, l'énergie fournie sert à transformer l'eau en vapeur, pas à augmenter la température. L'énergie nécessaire pour chauffer l'eau se calcule avec la formule \(Q = m \times c \times \Delta T\). Il existe au total six changements d'état : fusion, solidification, vaporisation, condensation, sublimation et condensation solide.