Devoir Surveillé – Chapitre 12

Changements d'état et énergie thermique | 2^de Bac Pro

🎯 Objectifs du chapitre cliquer pour développer

Identifier les trois états de la matière et leurs caractéristiques
Nommer et classer les six changements d'état
Expliquer le palier de température lors d'un changement d'état
Utiliser la formule \(Q = m \cdot L\) pour calculer une énergie
Relier ces phénomènes aux métiers du bois (séchage, vernis, solvants)

🕑 Durée : 1 heure

🧮 Calculatrice : autorisée

✍ Barème : 20 points

📄 Documents : non autorisés

APP – S'Approprier ANA – Analyser REA – Réaliser VAL – Valider COM – Communiquer

Socle

DS Socle — Changements d'état
Les formules utiles sont rappelées. Les étapes de calcul sont guidées.

Partie A – Reconnaitre les changements d'état 8 pts

2 pts/question.

1. APP Compléter : La matière peut exister sous trois états : ……………, …………… et ……………

2. APP Relier chaque changement d'état à sa définition :

Fusion	• Liquide → Gaz
Vaporisation	• Solide → Liquide
Solidification	• Liquide → Solide

3. ANA Lors d'un changement d'état d'un corps pur, la température :
☐ augmente ☐ reste constante (palier) ☐ diminue
Entourer la bonne réponse et expliquer en une phrase.

4. APP Pour l'eau : température de fusion = ………°C ; température de vaporisation = ………°C

1. Solide, liquide, gazeux.

2. Fusion = Solide → Liquide ; Vaporisation = Liquide → Gaz ; Solidification = Liquide → Solide.

3. La température reste constante (palier) : l'énergie fournie sert à changer l'état, pas à chauffer.

4. Fusion : 0°C ; Vaporisation : 100°C.

Partie B – Calculer une énergie de changement d'état 12 pts

Formule à utiliser : \(E = m \times L\)
• Fusion : \(L_f = 334\,000\) J/kg = 334 kJ/kg
• Vaporisation : \(L_v = 2\,260\,000\) J/kg = 2 260 kJ/kg

1. APP (3 pts) Écrire la formule \(E = m \times L\) et préciser les unités de chaque grandeur.
\(E\) = ………… en ……… ; \(m\) = ………… en ……… ; \(L\) = …………………… en ………

2. REA (4 pts) Atelier de menuiserie Un menuisier fait fondre 500 g de glace pour refroidir ses outils. \(L_f = 334\,000\) J/kg.

Étape 1 — Convertir la masse en kg : 500 g = ………… kg
Étape 2 — Identifier \(L\) : s'agit-il de fusion ou vaporisation ? On utilise \(L_{\ldots} = \) ………… J/kg
Étape 3 — Calculer : \(E = \) ……… \(\times\) ……………… = ……………… J = ……… kJ

3. REA (3 pts) Atelier de menuiserie L'étuve de séchage bois évapore 200 g d'eau contenue dans une planche. \(L_v = 2\,260\,000\) J/kg.

Calculer l'énergie \(E\) nécessaire :
\(m = 200 \text{ g} = \) ………… kg
\(E = \) ……… \(\times\) ……………… = ……………… J = ……… kJ

4. COM (2 pts) Lors du séchage du bois, l'eau s'évapore. Cela peut dégager des solvants. Citer une précaution à prendre dans l'atelier.

1. \(E\) en joules (J) ; \(m\) en kilogrammes (kg) ; \(L\) en J/kg (joules par kilogramme).

2. \(m = 0{,}500\) kg ; fusion, donc \(L_f = 334\,000\) J/kg.
\(E = 0{,}500 \times 334\,000 = \mathbf{167\,000 \text{ J} = 167 \text{ kJ}}\)

3. \(m = 0{,}200\) kg ; \(E = 0{,}200 \times 2\,260\,000 = \mathbf{452\,000 \text{ J} = 452 \text{ kJ}}\)

Courbe T(t) avec palier de changement d’état

4. Ventiler l'atelier / éloigner les sources de chaleur et d'étincelles / porter un masque adapté.

Standard

DS Standard — Changements d'état
Contextes professionnels — rédaction et justification attendues.

Partie A – États de la matière et changements d'état 8 pts

2 pts/question.

1. APP Citer les trois états de la matière et donner un exemple de chacun pour l'eau.

2. APP Nommer les six changements d'état et indiquer lesquels nécessitent un apport d'énergie.

3. ANA Que se passe-t-il à la température lors d'un changement d'état ? Justifier en lien avec le concept de palier de température.

4. APP Quelle est la température de fusion de l'eau à pression atmosphérique ? Celle de vaporisation ?

1. Solide (glace), liquide (eau), gaz (vapeur d'eau).

2. Fusion (S→L), solidification (L→S), vaporisation (L→G), liquéfaction (G→L), sublimation (S→G), condensation solide (G→S). Apport d'énergie : fusion, vaporisation, sublimation.

3. La température reste constante pendant le changement d'état (palier) : l'énergie fournie ou retirée sert uniquement à changer l'état, pas à modifier la température.

Courbe T(t) avec palier de changement d’état

4. Fusion : 0 °C. Vaporisation : 100 °C (à pression atmosphérique).

Partie B – Calculs d'énergie de changement d'état 12 pts

1. APP (3 pts) Écrire la formule de l'énergie de changement d'état \(Q = m \cdot L\). Donner l'unité de la chaleur latente \(L\).

2. REA (4 pts) On fait fondre \(500\text{ g}\) de glace à \(0\text{ °C}\). La chaleur latente de fusion de l'eau est \(L_f = 334\text{ kJ·kg}^{-1}\). Calculer l'énergie nécessaire.

3. REA (3 pts) Dans un atelier de menuiserie, on sèche une planche de bois contenant \(200\text{ g}\) d'eau. La chaleur latente de vaporisation de l'eau est \(L_v = 2\,260\text{ kJ·kg}^{-1}\). Quelle énergie faut-il fournir pour évaporer toute cette eau ?

4. COM (2 pts) Pourquoi l'évaporation des solvants en atelier représente-t-elle un risque pour la sécurité ? Citer une précaution à prendre.

1. \(Q = m \cdot L\) ; \(L\) en J·kg⁻¹ (ou kJ·kg⁻¹).

2. \(m = 0{,}500\text{ kg}\) ; \(Q = 0{,}500 \times 334 = 167\text{ kJ}\).

3. \(m = 0{,}200\text{ kg}\) ; \(Q = 0{,}200 \times 2\,260 = 452\text{ kJ}\).

4. Les vapeurs de solvants sont inflammables et toxiques. Précaution : ventiler l'atelier, éloigner les sources de chaleur et d'étincelles, porter un masque adapté.

Approfondissement

DS Approfondissement — Changements d'état
Problèmes ouverts, plusieurs étapes, calculs combinés chaleur sensible + chaleur latente.

Partie A – Analyse des changements d'état en atelier 8 pts

2 pts/question.

1. ANA Un agenceur utilise un pistolet à colle thermofusible. La colle est solide à 20°C et devient liquide à 80°C. Lorsqu'une bulle apparaît dans la cartouche en surchauffe, un nouveau changement d'état se produit. Nommer les deux changements d'état successifs et préciser les états initial et final de chacun.

2. ANA Un technicien chauffe de l'eau dans un générateur de vapeur utilisé pour le traitement de surfaces bois. Sur la courbe de chauffe, on observe un palier à 100°C. Expliquer précisément pourquoi la température reste constante à ce palier, en faisant le lien avec l'énergie échangée.

3. APP Un technicien prépare un fluide caloporteur pour l'étuve de séchage. L'eau pure gèle à 0°C, ce qui endommagerait les canalisations. Il ajoute du glycol : avec 33 % de glycol, le point de congélation passe à –20°C.
a) Quel changement d'état est évité par cet ajout ?
b) Pourquoi la dilatation lors de ce changement d'état est-elle dangereuse pour les canalisations ?

4. COM Dans un atelier de carrosserie, de la buée se forme sur les carrosseries froides le matin. Nommer ce changement d'état et expliquer son impact sur la qualité de la peinture qui sera appliquée.

1. Fusion : solide → liquide (colle 20°C → 80°C). Vaporisation : liquide → gaz (colle surchauffée → bulles gazeuses). Risque : projection de colle chaude.

2. À 100°C, toute l'énergie fournie est utilisée pour rompre les liaisons entre molécules d'eau et changer l'état (vaporisation). Aucune énergie ne reste disponible pour augmenter la température : c'est le palier thermodynamique du corps pur.

3a. La solidification est évitée (liquide → solide = gel du circuit).
3b. L'eau augmente de volume d'environ 9% en gelant : la pression exercée sur les parois des canalisations peut les fissurer ou les éclater.

4. Condensation (vapeur d'eau → gouttelettes liquides). L'humidité déposée sur les carrosseries empêche l'adhésion correcte des apprêts et peintures, provoquant des décollements et des défauts de teinte.

Partie B – Calculs combinés — Séchage et énergie 12 pts

1. APP (3 pts) Atelier de menuiserie Un générateur de vapeur pour traitement de surfaces bois utilise de l'eau à 20°C.
Écrire les deux étapes nécessaires pour obtenir de la vapeur à 100°C à partir d'eau à 20°C (sans calcul). Nommer l'énergie échangée à chaque étape.

2. REA (5 pts) Calculer l'énergie totale nécessaire pour transformer 1,5 kg d'eau à 20°C en vapeur à 100°C.
Données : \(c_{eau} = 4\,180\) J/(kg·°C) ; \(L_v = 2\,260\,000\) J/kg

a) Énergie de chauffage de 20°C à 100°C : \(Q_1 = m \cdot c \cdot \Delta T = \)
b) Énergie de vaporisation : \(Q_2 = m \cdot L_v = \)
c) Énergie totale : \(E_{tot} = Q_1 + Q_2 = \)

3. VAL (2 pts) Calculer le pourcentage de l'énergie totale consacrée à la vaporisation seule. Commenter : pourquoi les générateurs de vapeur consomment-ils beaucoup d'électricité ?

4. COM (2 pts) En comparant \(L_f\) et \(L_v\) de l'eau, expliquer en deux phrases pourquoi il est plus énergivore de faire bouillir de l'eau que de la faire fondre.

1. Étape 1 : chauffage de l'eau liquide de 20 à 100°C → chaleur sensible (\(Q = m \cdot c \cdot \Delta T\)).
Étape 2 : vaporisation à 100°C → chaleur latente de vaporisation (\(Q = m \cdot L_v\)).

2a. \(Q_1 = 1{,}5 \times 4\,180 \times 80 = \mathbf{501\,600 \text{ J} \approx 502 \text{ kJ}}\)

2b. \(Q_2 = 1{,}5 \times 2\,260\,000 = \mathbf{3\,390\,000 \text{ J} = 3\,390 \text{ kJ}}\)

2c. \(E_{tot} = 501\,600 + 3\,390\,000 = \mathbf{3\,891\,600 \text{ J} \approx 3{,}89 \text{ MJ}}\)

3. Part vaporisation : \(\dfrac{3\,390\,000}{3\,891\,600} \times 100 \approx \mathbf{87{,}1\,\%}\).
Plus de 87 % de l'énergie sert à changer l'état : les liaisons entre molécules d'eau sont très énergivores à rompre.

4. \(L_v = 2\,260\,000\) J/kg contre \(L_f = 334\,000\) J/kg : vaporiser est 6,8 fois plus coûteux en énergie que fondre. Cela s'explique par l'énergie nécessaire pour séparer complètement les molécules (passage liquide → gaz) contre le simple assouplissement du réseau cristallin (fusion).