Changements d'état | Physique-Chimie | 2nde Bac Pro
Dernière mise à jour : 1 mai 2026
Observer le schéma ci-dessous représentant le triangle des changements d'état.
Figure 1 — Triangle des six changements d'état
1. Les six changements d'état :
| Nom | Transition |
|---|---|
| Fusion | Solide → Liquide |
| Solidification | Liquide → Solide |
| Vaporisation | Liquide → Gaz |
| Condensation | Gaz → Liquide |
| Sublimation | Solide → Gaz |
| Condensation solide (déposition) | Gaz → Solide |
2. Classification :
Absorbent de la chaleur (endothermiques) : fusion, vaporisation, sublimation.
Dégagent de la chaleur (exothermiques) : solidification, condensation, condensation solide.
3. Exemples en atelier de menuiserie :
• Fusion : fonte de la cire à boucher les trous du bois lors d'une réparation ; fonte de la colle thermofusible.
• Solidification : refroidissement et solidification de la colle thermofusible sur le bois ; contréplacage après collage sous presse.
• Vaporisation : évaporation du solvant d'un vernis ou d'une lasure lors du séchage.
• Condensation : buée se formant sur les panneaux froids entrant dans un atelier chauffé ; eau qui condense sur les vitres de l'atelier en hiver.
• Sublimation : carbone sec (CO₂ solide) utilisé pour le nettoyage cryogénique des outils et moules.
• Condensation solide : givre sur les outillages métalliques exposés au froid.
Pour chaque situation, identifier le changement d'état, indiquer si de la chaleur est absorbée ou dégagée, et préciser les états initial et final.
a. Pluie (liquide) → verglas (solide) : solidification. Dégage de la chaleur.
b. Colle thermofusible (liquide) → bulles gazeuses (gaz) : vaporisation. Absorbe de la chaleur. Danger : surchauffe du pistolet à colle, risque de projection.
c. Vapeur d'eau (gaz) → gouttelettes (liquide) sur les panneaux froids : condensation. Dégage de la chaleur.
d. CO₂ solide → CO₂ gazeux directement (sans passer par l'état liquide) : sublimation. Absorbe de la chaleur (c'est pourquoi la pièce se refroidit).
e. Acier (solide) → acier fondu (liquide) : fusion. Absorbe une grande quantité de chaleur (température de fusion de l'acier ≈ 1 500 °C).
On chauffe 500 g d'eau liquide initialement à 20 °C avec un appareil de chauffage constant. Le graphique ci-dessous montre l'évolution de la température en fonction du temps.
Figure 2 — Courbe de chauffe de l'eau (20°C → vapeur) avec palier à 100°C
1. Trois phases distinctes :
• Phase 1 (0 à 4 min) : l'eau liquide se réchauffe de 20 °C à 100 °C. La température monte progressivement.
• Phase 2 (4 à 10 min) : palier à 100 °C. L'eau bout : changement d'état (vaporisation). La température reste constante.
• Phase 3 (après 10 min) : la vapeur se réchauffe au-delà de 100 °C (vapeur surchauffée). La température remonte.
2. Lors d'un changement d'état d'un corps pur, toute l'énergie apportée sert à modifier l'état (rompre les liaisons entre molécules), non à augmenter la température. C'est la propriété du palier.
3. L'ébullition commence à 4 min (quand la courbe commence à se stabiliser à 100 °C) et se termine à 10 min (quand la courbe reprend sa montée).
4. Après le palier, l'eau est entièrement à l'état gazeux (vapeur d'eau surchauffée).
Pendant le palier (phase 2), toute l'énergie apportée sert à briser les liaisons : l'eau passe de l'état liquide à l'état vapeur sans changement de température.
Un menuisier agenceur utilise de la glace pour refroidir ses outils après une longue série de coupes. Il dispose de 0,3 kg de glace à 0 °C.
Étape 1 : Solide → liquide = fusion.
Étape 2 : \(L_f = 334\,000\) J/kg.
Étape 3 : \(E = 0{,}3 \times 334\,000 = \mathbf{100\,200 \text{ J} = 100{,}2 \text{ kJ}}\)
La température reste à 0 °C pendant toute la fusion. L'énergie absorbée sert uniquement à briser les liaisons cristallines.
La glace absorbe donc environ 100 kJ en fondant, ce qui refroidit efficacement les outils en contact.
Atelier de menuiserie
Dans un atelier de menuiserie, une étuve sèche des planches de bois. Une planche contient 150 g = 0,15 kg d'eau. Cette eau s'évapore entièrement.
Donnée : \(L_v = 2\,260\,000\) J/kg
Étape 1 : Liquide → gaz = vaporisation.
Étape 2 : On choisit \(L_v = 2\,260\,000\) J/kg.
Étape 3 : \(E = 0{,}15 \times 2\,260\,000 = \mathbf{339\,000 \text{ J} = 339 \text{ kJ}}\)
L_v ≈ 7 fois L_f : vaporiser demande beaucoup plus d'énergie que de fondre. C'est pour cela que les étuves consomment autant.
L'étuve doit fournir 339 kJ pour évaporer toute l'eau de cette planche — d'où la consommation électrique importante des étuves de séchage.
On chauffe de l'eau. La courbe montre l'évolution de la température.
| Temps (min) | Température (°C) | Phase |
|---|---|---|
| 0 | 20 | Début |
| 4 | 100 | Arrive à 100°C |
| 10 | 100 | Palier |
| 13 | 120 | Après le palier |
1. L'eau est à l'état liquide : elle se réchauffe progressivement.
2. C'est un palier de vaporisation : l'eau bout et change d'état (liquide → vapeur). Toute l'énergie sert à changer l'état, pas à augmenter la température.
3. L'eau est entièrement à l'état gazeux (vapeur d'eau).
Compléter le tableau suivant en indiquant le nom du changement d'état, l'état initial et l'état final.
| Situation | État initial | État final | Nom du changement |
|---|---|---|---|
| La glace fond dans un verre | …… | …… | …… |
| Le linge sèche au soleil | …… | …… | …… |
| De la buée se forme sur une vitre froide | …… | …… | …… |
| De l'eau gèle dans le congélateur | …… | …… | …… |
| Situation | État initial | État final | Nom du changement |
|---|---|---|---|
| La glace fond dans un verre | Solide | Liquide | Fusion |
| Le linge sèche au soleil | Liquide | Gaz | Vaporisation (évaporation) |
| Buée sur une vitre froide | Gaz | Liquide | Condensation |
| Eau qui gèle au congélateur | Liquide | Solide | Solidification |
Pour chaque affirmation, répondre par vrai ou faux. Corriger les affirmations fausses.
a. FAUX. Lors de la fusion d'un corps pur, la température reste constante (palier à 0 °C pour la glace).
b. VRAI. Liquide → gaz = vaporisation.
c. VRAI. La solidification est exothermique : elle libère de la chaleur.
d. FAUX. La sublimation est le passage du solide au gaz. Le passage du gaz au solide s'appelle la condensation solide.
e. FAUX. L'eau bout à 100 °C uniquement à pression atmosphérique normale (1 013 hPa). En altitude, la pression diminue et l'eau bout à une température inférieure.
On place 0,2 kg d'eau à 0 °C dans un congélateur. Toute l'eau se transforme en glace.
Étape 1 : Liquide → solide = solidification.
Étape 2 : La solidification dégage de la chaleur (exothermique). Le congélateur doit évacuer cette chaleur.
Étape 3 : \(E = 0{,}2 \times 334\,000 = \mathbf{66\,800 \text{ J} = 66{,}8 \text{ kJ}}\)
Atelier de menuiserie
Un menuisier utilise un pistolet à colle. Le bâton de colle solide est introduit dans le pistolet, chauffé, puis appliqué sous forme liquide sur le bois. En refroidissant, la colle redevient solide et fixe les pièces.
1. Bâton solide → colle liquide = fusion.
2. Colle liquide → colle solide = solidification.
3. La fusion absorbe de la chaleur (endothermique) : le pistolet chauffe le bâton. La solidification dégage de la chaleur (exothermique) : c'est pourquoi la colle est chaude quand elle durcit.
On place un glaçon de 50 g = 0,05 kg dans un verre de jus de fruits. Le glaçon fond complètement.
1. Fusion : solide → liquide.
2. \(E = 0{,}05 \times 334\,000 = \mathbf{16\,700 \text{ J} = 16{,}7 \text{ kJ}}\)
3. L'énergie provient de la boisson. En cédant de la chaleur au glaçon, la boisson se refroidit. C'est le principe du rafraîchissement par la glace.
Atelier de menuiserie
Un artisan menuisier applique du vernis sur un meuble en bois. Après quelques heures, le vernis est sec : le solvant contenu dans le vernis s'est évaporé dans l'air.
1. Le solvant passe de l'état liquide à l'état gazeux. Ce changement d'état s'appelle la vaporisation (plus précisément l'évaporation).
2. Ce changement absorbe de la chaleur (endothermique).
3. La ventilation évacue les vapeurs de solvant au-dessus de la surface vernie. L'air sec qui les remplace favorise l'évaporation du solvant restant. Plus l'air est renouvelé, plus le séchage est rapide.
Compléter chaque phrase avec les mots suivants : constante, palier, vaporisation, 0 °C, 100 °C, corps pur, absorbe.
a. Lors d'un changement d'état d'un corps pur, la température reste constante.
b. La glace fond à 0 °C. L'eau bout à 100 °C.
c. Sur une courbe de chauffage, un changement d'état se repère par un palier de température.
d. La vaporisation est le passage du liquide au gaz. Elle absorbe de la chaleur.
Un technicien utilise un bac de glace pour refroidir des pièces métalliques après usinage. Il dispose de 0,5 kg de glace à 0 °C.
Donnée : Chaleur latente de fusion de l'eau : \(L_f = 334\,000\) J/kg
1. Il se produit une fusion (glace solide → eau liquide). C'est un changement d'état endothermique : la glace absorbe de la chaleur pour fondre.
2. Calcul de l'énergie :
\(E = m \times L_f = 0{,}5 \times 334\,000 = \mathbf{167\,000 \text{ J}}\)
3. \(E = 167\,000 \text{ J} = \mathbf{167 \text{ kJ}}\)
4. Cette énergie provient des pièces métalliques chaudes en contact avec la glace. En cédant leur énergie à la glace (qui fusionne), les pièces se refroidissent. La glace agit comme un absorbant thermique très efficace.
Un générateur de vapeur utilisé dans un atelier de menuiserie vaporise 1 kg d'eau à 100 °C pour traiter les surfaces en bois à la vapeur.
Donnée : Chaleur latente de vaporisation de l'eau : \(L_v = 2{,}26 \times 10^6\) J/kg = 2,26 MJ/kg
1. Il se produit une vaporisation (eau liquide → vapeur gazeuse). C'est un changement d'état endothermique.
2. Calcul :
\(E = m \times L_v = 1 \times 2\,260\,000 = \mathbf{2\,260\,000 \text{ J} = 2{,}26 \text{ MJ}}\)
3. Comparaison :
Energie de chauffage (0 → 100°C) : \(Q_{ch} = 418\,000\) J = 0,418 MJ
Energie de vaporisation : \(E = 2\,260\,000\) J = 2,26 MJ
La vaporisation nécessite \(\dfrac{2\,260\,000}{418\,000} \approx 5{,}4\) fois plus d'énergie que le seul chauffage de 0 à 100 °C.
Conclusion : l'énergie de changement d'état est considérable. Le générateur de vapeur nécessite une alimentation électrique importante, car il doit fournir l'énergie de chauffage et l'énergie de vaporisation.
Un atelier dispose d'un générateur de vapeur qui part de l'eau à 20 °C et produit de la vapeur d'eau à 100 °C. La masse d'eau traitée est m = 2 kg.
Données :
1. Energie de chauffage :
\(Q_1 = m \cdot c \cdot \Delta T = 2 \times 4\,180 \times (100 - 20) = 2 \times 4\,180 \times 80\)
\(Q_1 = \mathbf{668\,800 \text{ J} \approx 669 \text{ kJ}}\)
2. Energie de vaporisation :
\(Q_2 = m \cdot L_v = 2 \times 2\,260\,000 = \mathbf{4\,520\,000 \text{ J} = 4{,}52 \text{ MJ}}\)
3. Energie totale :
\(E_{totale} = Q_1 + Q_2 = 668\,800 + 4\,520\,000 = \mathbf{5\,188\,800 \text{ J} \approx 5{,}19 \text{ MJ}}\)
4. Répartition :
Part chauffage : \(\dfrac{668\,800}{5\,188\,800} \times 100 \approx \mathbf{12{,}9\,\%}\)
Part vaporisation : \(\dfrac{4\,520\,000}{5\,188\,800} \times 100 \approx \mathbf{87{,}1\,\%}\)
Conclusion : Plus de 87 % de l'énergie sert à la vaporisation (changement d'état), et seulement 13 % au chauffage de l'eau. C'est pourquoi les chaudières et nettoyeurs vapeur consomment beaucoup d'électricité.
Un atelier de carrosserie est chauffé à 20 °C avec un taux d'humidité de 70 %. Le lundi matin, après un week-end sans chauffage, les murs métalliques sont à 8 °C. À 20 °C et 70 % d'humidité relative, la teneur en vapeur d'eau de l'air est d'environ 12 g/m³. Le point de rosée (température à laquelle la vapeur condense) est d'environ 14 °C pour ces conditions.
1. Il se produit une condensation : la vapeur d'eau (gaz) se transforme en eau liquide (liquide) au contact des parois froides. C'est un changement d'état exothermique.
2. La température des parois (8 °C) est inférieure au point de rosée (14 °C). En dessous du point de rosée, l'air ne peut plus maintenir toute sa vapeur d'eau à l'état gazeux : l'excès condense en gouttelettes liquides sur les surfaces froides.
3. Masse d'eau condensée :
\(m = \rho_{condense} \times V = 4 \times 10^{-3} \text{ kg/m}^3 \times 200 \text{ m}^3 = \mathbf{0{,}8 \text{ kg}}\) soit 800 g d'eau liquide sur les parois.
4. Energie dégagée :
\(E = m \times L_v = 0{,}8 \times 2\,260\,000 = \mathbf{1\,808\,000 \text{ J} \approx 1{,}81 \text{ MJ}}\)
Cette énergie réchauffe légèrement les parois (ce qui explique pourquoi les murs semblent « tiédes » au toucher même par temps froid quand ils sont humides).
5. Problèmes en atelier de carrosserie :
• Corrosion accélérée des tôles et outils métalliques.
• Mauvaise adhésion des apprêts et peintures sur les surfaces humides : risque de décollement.
• Contamination des pièces avant peinture.
• Solution : ventiler et chauffer progressivement pour éliminer l'humidité avant toute application de peinture.
Atelier d'ébénisterie
Un ébéniste fait fondre 0,4 kg de cire d'abeille pour traiter des meubles en bois massif. La cire fond à environ 63 °C.
Donnée : Chaleur latente de fusion de la cire d'abeille : \(L_f = 176\,000\) J/kg
1. Fusion (solide → liquide). C'est un changement d'état endothermique : la cire absorbe de la chaleur.
2. \(E = m \times L_f = 0{,}4 \times 176\,000 = \mathbf{70\,400 \text{ J}}\)
3. \(E = 70\,400 \text{ J} = \mathbf{70{,}4 \text{ kJ}}\)
4. La cire subit une solidification (liquide → solide). L'énergie est dégagée (exothermique) : la cire libère de la chaleur en durcissant sur le meuble.
En cuisine, on porte 1,5 L d'eau à ébullition pour cuire des pâtes. L'eau bout à 100 °C.
Données : \(c = 4\,180\) J/(kg·°C) • \(L_v = 2\,260\,000\) J/kg • 1 L d'eau ≈ 1 kg • Température initiale : 18 °C
1. \(Q_1 = m \cdot c \cdot \Delta T = 1{,}5 \times 4\,180 \times (100 - 18) = 1{,}5 \times 4\,180 \times 82\)
\(Q_1 = \mathbf{514\,140 \text{ J} \approx 514 \text{ kJ}}\)
2. \(Q_2 = m \cdot L_v = 0{,}2 \times 2\,260\,000 = \mathbf{452\,000 \text{ J} = 452 \text{ kJ}}\)
3. À 100 °C, toute l'énergie supplémentaire apportée sert à la vaporisation (changement d'état), pas à augmenter la température. C'est le palier d'ébullition. Augmenter le feu fait bouillir plus vite (plus de vapeur), mais la température reste à 100 °C.
On dispose de 0,5 kg de glace à 0 °C.
Données : \(L_f = 334\,000\) J/kg • \(L_v = 2\,260\,000\) J/kg
1. \(E_f = 0{,}5 \times 334\,000 = \mathbf{167\,000 \text{ J} = 167 \text{ kJ}}\)
2. \(E_v = 0{,}5 \times 2\,260\,000 = \mathbf{1\,130\,000 \text{ J} = 1\,130 \text{ kJ}}\)
3. \(\dfrac{E_v}{E_f} = \dfrac{1\,130\,000}{167\,000} \approx \mathbf{6{,}8}\). L'énergie de vaporisation est environ 6,8 fois plus grande.
4. Les appareils à vapeur (nettoyeur vapeur, générateur de vapeur, étuve) consomment beaucoup d'énergie car la vaporisation de l'eau est très coûteuse en énergie. C'est pourquoi ces appareils ont souvent des puissances électriques élevées.
Après une douche chaude, le miroir de la salle de bain se couvre de buée.
1. Condensation : la vapeur d'eau (gaz) se transforme en gouttelettes d'eau (liquide).
2. Exothermique : la condensation dégage de la chaleur.
3. Le miroir est une surface froide (sa température est inférieure au point de rosée de l'air humide). Au contact de cette surface froide, la vapeur d'eau se refroidit et ne peut plus rester à l'état gazeux : elle condense.
4. En ouvrant la fenêtre, on fait entrer de l'air sec et frais qui remplace l'air humide. L'humidité diminue, le point de rosée baisse, et les gouttelettes s'évaporent à nouveau.
Pour fabriquer une patinoire, on doit transformer 12 000 kg d'eau en glace à 0 °C.
Donnée : \(L_f = 334\,000\) J/kg
1. Solidification (liquide → solide). Exothermique : l'eau libère de la chaleur en gelant, et le système de réfrigération doit évacuer cette chaleur.
2. \(E = m \times L_f = 12\,000 \times 334\,000 = \mathbf{4\,008\,000\,000 \text{ J}}\)
3. \(E = 4\,008\,000\,000 \text{ J} = \mathbf{4{,}008 \text{ GJ} \approx 4 \text{ GJ}}\)
4. \(t = \dfrac{E}{P} = \dfrac{4\,008\,000\,000}{200\,000} = 20\,040 \text{ s}\)
En heures : \(t = \dfrac{20\,040}{3\,600} \approx \mathbf{5{,}6 \text{ h}}\). Il faut environ 5 heures et demie de fonctionnement continu.
Chantier de menuiserie
Un artisan menuisier applique une lasure sur une clôture en bois. La lasure contient 30 % de solvant. Pour traiter toute la clôture, il utilise 2 kg de lasure.
Données : Chaleur latente de vaporisation du solvant : \(L_v = 850\,000\) J/kg
1. Masse de solvant : \(m = 0{,}30 \times 2 = \mathbf{0{,}6 \text{ kg}}\)
2. Vaporisation (évaporation) : le solvant passe de l'état liquide à l'état gazeux.
3. \(E = m \times L_v = 0{,}6 \times 850\,000 = \mathbf{510\,000 \text{ J} = 510 \text{ kJ}}\)
Cette énergie est prélevée sur l'environnement (air ambiant, bois), ce qui explique que la surface vernie soit légèrement froide au toucher pendant le séchage.
On laisse refroidir du naphtalène (antimite) initialement liquide à 100 °C. On relève la température toutes les 2 minutes :
| Temps (min) | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| T (°C) | 100 | 90 | 80 | 80 | 80 | 70 | 60 | 50 |
1. La courbe descend de 100 °C à 80 °C, se stabilise à 80 °C (palier), puis reprend sa descente jusqu'à 50 °C.
2. Le palier est à 80 °C. Il dure de t = 4 min à t = 8 min, soit 4 minutes.
3. C'est une solidification (liquide → solide). Le palier est net (température constante), ce qui indique que le naphtalène est un corps pur. Un mélange n'aurait pas de palier aussi net.
4. • À t = 0 min : le naphtalène est entièrement liquide (100 °C > 80 °C).
• À t = 6 min : le naphtalène est en cours de solidification (mélange solide + liquide à 80 °C).
• À t = 14 min : le naphtalène est entièrement solide (50 °C < 80 °C).
Dans un système de chauffage à condensation, la chaudière récupère l'énergie dégagée par la condensation de la vapeur d'eau présente dans les fumées. On estime que 0,08 kg de vapeur d'eau condense chaque minute.
Donnée : \(L_v = 2\,260\,000\) J/kg
1. Condensation (gaz → liquide). C'est un changement d'état exothermique : il dégage de la chaleur, récupérée par la chaudière.
2. \(E = m \times L_v = 0{,}08 \times 2\,260\,000 = \mathbf{180\,800 \text{ J} = 180{,}8 \text{ kJ}}\) par minute.
3. En 1 h = 60 min : \(E_{total} = 180\,800 \times 60 = \mathbf{10\,848\,000 \text{ J} = 10\,848 \text{ kJ} \approx 10{,}8 \text{ MJ}}\)
La condensation récupère près de 11 MJ par heure, ce qui représente un gain d'efficacité significatif par rapport à une chaudière classique.
Un appareil fournit une énergie de 1 130 kJ pour faire fondre entièrement un bloc de glace à 0 °C.
Donnée : \(L_f = 334\,000\) J/kg
1. \(E = m \times L_f\) donc \(m = \dfrac{E}{L_f}\)
2. \(E = 1\,130 \text{ kJ} = 1\,130\,000 \text{ J}\)
3. \(m = \dfrac{1\,130\,000}{334\,000} = \mathbf{3{,}38 \text{ kg}}\)
Le bloc de glace avait une masse d'environ 3,4 kg.
Le cycle de l'eau fait intervenir plusieurs changements d'état dans la nature.
1. Vaporisation (évaporation) : l'eau liquide passe à l'état gazeux. C'est endothermique : l'eau absorbe la chaleur du soleil.
2. Condensation : la vapeur d'eau (gaz) se transforme en gouttelettes d'eau (liquide). C'est exothermique.
3. Condensation solide (déposition) : la vapeur d'eau (gaz) passe directement à l'état solide (cristaux de glace) sans passer par l'état liquide.
4. Fusion : la neige (solide) se transforme en eau (liquide).
Le cycle de l'eau dans la nature implique de nombreux changements d'état. Voici quelques étapes :
1. Identifiez le changement d'état pour chacune des quatre étapes décrites. (Vaporisation, condensation, solidification, fusion.)
2. Lors de la condensation, l'eau cède-t-elle de l'énergie ou en absorbe-t-elle ? Justifiez.
3. Un orage produit 50 kg de grêle. Calculez l'énergie libérée lors de la solidification de cette eau, sachant que \( L_f(\text{eau}) = 334\,000\,\text{J/kg} \).
1. Évaporation de la mer → vaporisation. Formation des nuages → condensation. Pluie qui se transforme en neige → solidification. Fonte de la neige → fusion.
2. Lors de la condensation (vapeur → liquide), l'eau cède de l'énergie à l'environnement. C'est la transformation inverse de la vaporisation qui, elle, absorbe de l'énergie. C'est pourquoi les nuages libèrent de la chaleur en se formant.
3. \( Q = m \times L_f = 50 \times 334\,000 = 16\,700\,000\,\text{J} = 16{,}7\,\text{MJ} \). Une grande quantité d'énergie est dégagée lors de la formation de la grêle.
Par temps chaud, le corps humain se refroidit en évaporant de la sueur. Lors d'un effort sportif intense, un athlète transpire en moyenne 1,5 L d'eau par heure. La chaleur latente de vaporisation de l'eau à 35 °C (température de la peau) est approximativement \( L_v = 2{,}42 \times 10^6\,\text{J/kg} \). On assimile 1 L d'eau à 1 kg.
1. Calculez l'énergie prélevée au corps par la transpiration en une heure.
2. Exprimez cette énergie en kJ.
3. La puissance métabolique d'un athlète en effort est d'environ \( P = 800\,\text{W} \). Quelle fraction de cette puissance est dissipée par transpiration ? (La puissance dissipée par transpiration est l'énergie calculée à la question 1 divisée par la durée d'une heure en secondes.)
1. \( m = 1{,}5\,\text{kg} \). \( Q = m \times L_v = 1{,}5 \times 2{,}42 \times 10^6 = 3{,}63 \times 10^6\,\text{J} \)
2. \( Q = 3\,630\,\text{kJ} \)
3. Puissance dissipée : \( P_{sueur} = \dfrac{Q}{t} = \dfrac{3{,}63 \times 10^6}{3\,600} = 1\,008\,\text{W} \). Cette puissance est supérieure à la puissance métabolique de 800 W, ce qui montre que la transpiration est le principal mécanisme de thermorégulation à l'effort — et qu'il est vital de bien s'hydrater.
Dans certains ateliers de menuiserie, une étuve de séchage est refroidie par un circuit d'eau. En hiver, l'eau pure du circuit gèle à 0 °C et peut endommager les canalisations (dilatation de la glace). Pour éviter cela, on ajoute du glycol, qui abaisse le point de congélation : c'est l'abaissement cryoscopique.
| Proportion de glycol (%) | Point de congélation (°C) | Point d'ébullition (°C) |
|---|---|---|
| 0 % (eau pure) | 0 | 100 |
| 25 % | –12 | 104 |
| 33 % | –20 | 106 |
| 50 % | –37 | 109 |
| 60 % | –52 | 111 |
1. Le glycol évite la solidification du fluide caloporteur (liquide → solide). Ce changement d'état est dangereux car l'eau augmente de volume en gelant (~9 % de dilatation), ce qui peut fissurer les canalisations et l'échangeur de l'étuve.
2. Pour supporter –25 °C, il faut un point de congélation inférieur à –25 °C. D'après le tableau, 33 % donne –20 °C (insuffisant) et 50 % donne –37 °C (suffisant). Il faut donc au moins 50 % de glycol.
3. Avec un point d'ébullition à 109 °C, le fluide n'atteint pas l'ébullition à 80-90 °C (température de fonctionnement de l'étuve). Sans glycol, l'eau pourrait entrer en ébullition si la pression chute, causant une surchauffe. Le glycol offre donc aussi une protection contre la vaporisation.
4. Energie lors de la solidification :
\(E = m \times L_f = 5 \times 334\,000 = \mathbf{1\,670\,000 \text{ J} = 1{,}67 \text{ MJ}}\)
Cette énergie est libérée vers les canalisations et pièces environnantes lors du gel. C'est une grande quantité d'énergie thermique, ce qui montre que la solidification est un phénomène thermiquement important.
Lors du soudage à l'arc ou au chalumeau, il faut porter localement l'acier à sa température de fusion (≈ 1 500 °C) pour former le cordon de soudure.
Données pour l'acier :
On considère que le cordon de soudure porte à fusion une masse de métal de \(m = 0{,}020\) kg (20 g).
1. Lors du soudage : fusion de l'acier (solide → liquide), endothermique. Lors du refroidissement : solidification (liquide → solide), exothermique.
2. Energie de chauffage de l'acier :
\(Q_1 = m \cdot c_{\text{acier}} \cdot \Delta T = 0{,}020 \times 500 \times (1\,500 - 20)\)
\(Q_1 = 0{,}020 \times 500 \times 1\,480 = \mathbf{14\,800 \text{ J} = 14{,}8 \text{ kJ}}\)
3. Energie de fusion de l'acier :
\(Q_2 = m \cdot L_{f,\text{acier}} = 0{,}020 \times 272\,000 = \mathbf{5\,440 \text{ J} = 5{,}44 \text{ kJ}}\)
4. Energie totale :
\(E_{totale} = Q_1 + Q_2 = 14\,800 + 5\,440 = \mathbf{20\,240 \text{ J} \approx 20{,}2 \text{ kJ}}\)
Energie pour vaporiser 20 g d'eau (depuis 100°C) :
\(E_{eau} = 0{,}020 \times 2\,260\,000 = 45\,200 \text{ J} = 45{,}2 \text{ kJ}\)
Il faut 2,2 fois plus d'énergie pour vaporiser 20 g d'eau que pour faire fondre 20 g d'acier. Cela illustre que la vaporisation de l'eau est très énergivore, même comparée à la fusion d'un métal à haute température.
5. Lors de la solidification (refroidissement), l'acier dégage l'énergie de changement d'état. Si le refroidissement est trop rapide (trempe accidentelle), la structure cristalline de l'acier est altérée (acier fragilisé, microfissures). Le soudeur doit laisser refroidir lentement le cordon, parfois utiliser un marteau de désoxydation ou une couverture thermique, pour obtenir un cordon homogène et résistant.
Industrie du bois
Une étuve de séchage industrielle doit sécher un lot de planches de chêne. L'eau contenue dans le bois est initialement à 25 °C. Elle doit être amenée à 100 °C puis entièrement évaporée. La masse totale d'eau à éliminer est m = 80 kg.
Données :
1. \(Q_1 = m \cdot c \cdot \Delta T = 80 \times 4\,180 \times 75 = \mathbf{25\,080\,000 \text{ J} = 25{,}08 \text{ MJ}}\)
2. \(Q_2 = m \cdot L_v = 80 \times 2\,260\,000 = \mathbf{180\,800\,000 \text{ J} = 180{,}8 \text{ MJ}}\)
3. \(E_{utile} = 25{,}08 + 180{,}8 = \mathbf{205{,}88 \text{ MJ}}\)
4. \(E_{élec} = \dfrac{205\,880\,000}{0{,}70} = \mathbf{294\,114\,286 \text{ J} \approx 294{,}1 \text{ MJ}}\)
5. \(E_{élec} = \dfrac{294\,114\,286}{3\,600\,000} \approx \mathbf{81{,}7 \text{ kWh}}\)
Coût : \(81{,}7 \times 0{,}18 = \mathbf{14{,}7 \text{ €}}\)
Le séchage de ce lot coûte environ 15 € en électricité. La vaporisation représente plus de 87 % de l'énergie utile.
Une pompe à chaleur (PAC) utilise un fluide frigorigène qui subit des changements d'état en boucle fermée pour chauffer un bâtiment.
Le cycle simplifié du fluide :
1. Étape 1 : vaporisation (liquide → gaz). C'est endothermique : le fluide absorbe la chaleur de l'air extérieur.
2. Étape 3 : condensation (gaz → liquide). C'est exothermique : le fluide cède de la chaleur au circuit de chauffage du bâtiment.
3. Même par temps froid, l'air extérieur contient de l'énergie thermique. Le fluide frigorigène, grâce à son point d'ébullition très bas, peut s'évaporer même à basse température et absorber cette chaleur. Le compresseur augmente ensuite la température du gaz pour que la condensation cède la chaleur à une température suffisante pour chauffer le bâtiment.
4. \(E = m \times L_v = 0{,}05 \times 200\,000 = \mathbf{10\,000 \text{ J} = 10 \text{ kJ}}\) par cycle.
À chaque cycle, le fluide absorbe 10 kJ dehors (vaporisation) et libère 10 kJ dedans (condensation), plus l'énergie apportée par le compresseur.
Après une chute de neige, 50 kg de neige à 0 °C recouvrent le toit d'un atelier de menuiserie. Le soleil et la chaleur de l'atelier font fondre cette neige, et l'eau produite se réchauffe jusqu'à 15 °C avant de s'écouler dans la gouttière.
Données : \(L_f = 334\,000\) J/kg • \(c = 4\,180\) J/(kg·°C)
1. \(Q_1 = m \times L_f = 50 \times 334\,000 = \mathbf{16\,700\,000 \text{ J} = 16{,}7 \text{ MJ}}\)
2. \(Q_2 = m \times c \times \Delta T = 50 \times 4\,180 \times 15 = \mathbf{3\,135\,000 \text{ J} = 3{,}135 \text{ MJ}}\)
3. \(E_{totale} = 16\,700\,000 + 3\,135\,000 = \mathbf{19\,835\,000 \text{ J} \approx 19{,}8 \text{ MJ}}\)
Part de la fusion : \(\dfrac{16\,700\,000}{19\,835\,000} \times 100 \approx \mathbf{84{,}2\,\%}\). La fusion représente plus de 84 % de l'énergie totale.
4. \(t = \dfrac{E}{P} = \dfrac{19\,835\,000}{500} = 39\,670 \text{ s} = \dfrac{39\,670}{3\,600} \approx \mathbf{11 \text{ h}}\)
Il faut environ 11 heures pour fondre et réchauffer toute la neige, ce qui explique que la neige mette longtemps à disparaître même par temps ensoleillé.
Un autoclave est un appareil qui chauffe de l'eau sous pression. En augmentant la pression, la température d'ébullition de l'eau augmente :
| Pression (bar) | 1 | 1,5 | 2 | 3 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Tébull (°C) | 100 | 111 | 120 | 134 | 152 |
1. D'après le tableau, à 2 bar, l'eau bout à 120 °C.
2. Sous haute pression, les molécules d'eau ont plus de difficulté à s'échapper de la surface du liquide pour passer à l'état gazeux. Il faut donc apporter plus d'énergie (température plus élevée) pour que la vaporisation se produise. Inversement, sous basse pression, les molécules s'échappent plus facilement : l'eau bout à une température plus basse.
3. À 82 °C, l'eau bout et ne peut pas dépasser cette température (palier). Les aliments cuisent donc à une température inférieure à 100 °C, ce qui allonge considérablement le temps de cuisson. Certains aliments ne cuisent même pas correctement.
4. \(E = m \times L_v = 0{,}3 \times 2\,260\,000 = \mathbf{678\,000 \text{ J} = 678 \text{ kJ}}\)
Dans une fonderie, on fait fondre 5 kg d'aluminium pour couler des pièces de quincaillerie (poignées, charnières). L'aluminium est initialement à 25 °C.
Données pour l'aluminium :
1. \(Q_1 = m \cdot c \cdot \Delta T = 5 \times 897 \times (660 - 25) = 5 \times 897 \times 635\)
\(Q_1 = \mathbf{2\,847\,975 \text{ J} \approx 2\,848 \text{ kJ}}\)
2. \(Q_2 = m \cdot L_f = 5 \times 397\,000 = \mathbf{1\,985\,000 \text{ J} = 1\,985 \text{ kJ}}\)
3. \(E_{totale} = 2\,848 + 1\,985 = \mathbf{4\,833 \text{ kJ} \approx 4{,}83 \text{ MJ}}\)
Part de la fusion : \(\dfrac{1\,985}{4\,833} \times 100 \approx \mathbf{41\,\%}\). La fusion représente environ 41 % de l'énergie totale, le reste étant du chauffage.
4. Oui, l'énergie libérée lors de la solidification est égale à \(Q_2\) = 1 985 kJ. La solidification est le changement d'état inverse de la fusion : même énergie en jeu, mais libérée au lieu d'être absorbée. Cette énergie doit être évacuée par le moule pendant le refroidissement.
Un technicien de maintenance se brûle la main. On compare deux scénarios :
Données : \(c = 4\,180\) J/(kg·°C) • \(L_v = 2\,260\,000\) J/kg
1. Cas A — eau bouillante :
\(Q_A = m \cdot c \cdot \Delta T = 0{,}010 \times 4\,180 \times (100 - 37) = 0{,}010 \times 4\,180 \times 63\)
\(Q_A = \mathbf{2\,633 \text{ J} \approx 2{,}6 \text{ kJ}}\)
2. Cas B — vapeur :
Énergie de condensation : \(Q_{cond} = m \times L_v = 0{,}010 \times 2\,260\,000 = 22\,600 \text{ J}\)
Énergie de refroidissement : \(Q_{refr} = 2\,633 \text{ J}\) (même calcul que le cas A)
\(Q_B = Q_{cond} + Q_{refr} = 22\,600 + 2\,633 = \mathbf{25\,233 \text{ J} \approx 25{,}2 \text{ kJ}}\)
3. \(\dfrac{Q_B}{Q_A} = \dfrac{25\,233}{2\,633} \approx \mathbf{9{,}6}\)
La brûlure par la vapeur libère environ 9,6 fois plus d'énergie que la brûlure par l'eau bouillante, à masse égale.
4. La vapeur cède d'abord l'énergie de condensation (changement d'état), qui est considérable, puis l'énergie de refroidissement. L'eau bouillante ne cède que l'énergie de refroidissement. C'est pourquoi les brûlures par la vapeur sont beaucoup plus profondes et dangereuses. Cela justifie les équipements de protection obligatoires lors de l'utilisation de générateurs de vapeur en atelier.
Un réfrigérateur domestique maintient l'intérieur à 5 °C. Son cycle frigorifique repose sur la vaporisation et la condensation d'un fluide frigorigène. Dans l'évaporateur (à l'intérieur du réfrigérateur), le fluide se vaporise en absorbant de la chaleur. Dans le condenseur (derrière l'appareil), il se condense en libérant de la chaleur.
En une heure, le réfrigérateur vaporise 0,8 kg de fluide frigorigène dont la chaleur latente de vaporisation est \( L_v = 180\,000\,\text{J/kg} \).
1. Calculez l'énergie \( Q_{froid} \) prélevée à l'intérieur du réfrigérateur par vaporisation.
2. Le compresseur consomme une énergie électrique \( E_{elec} = 100\,\text{Wh} \) en une heure. Convertissez cette énergie en joules.
3. L'énergie rejetée à l'extérieur (par le condenseur) est \( Q_{chaud} = Q_{froid} + E_{elec} \). Calculez \( Q_{chaud} \).
4. Le coefficient de performance (COP) est défini par \( \text{COP} = \dfrac{Q_{froid}}{E_{elec}} \). Calculez-le. Que signifie un COP supérieur à 1 ?
1. \( Q_{froid} = m \times L_v = 0{,}8 \times 180\,000 = 144\,000\,\text{J} \)
2. \( E_{elec} = 100\,\text{Wh} = 100 \times 3\,600 = 360\,000\,\text{J} \)
3. \( Q_{chaud} = 144\,000 + 360\,000 = 504\,000\,\text{J} \)
4. \( \text{COP} = \dfrac{144\,000}{360\,000} = 0{,}4 \). Un COP inférieur à 1 signifie que l'énergie électrique consommée est supérieure à l'énergie froide produite — le réfrigérateur est peu efficace dans cet exemple. Un COP supérieur à 1 (comme pour les pompes à chaleur, COP ≥ 3) signifie que l'énergie thermique déplacée est plus grande que l'énergie électrique consommée.
| Changement d'état | Transition | Energie | Formule | Exemple en atelier |
|---|---|---|---|---|
| Fusion | Solide → Liquide | Absorbe | \(E = m \cdot L_f\) | Soudure, fonte de métal |
| Solidification | Liquide → Solide | Dégage | \(E = m \cdot L_f\) | Refroidissement cordon soudure, solidification colle thermofusible |
| Vaporisation | Liquide → Gaz | Absorbe | \(E = m \cdot L_v\) | Générateur vapeur atelier, sèche-bois |
| Condensation | Gaz → Liquide | Dégage | \(E = m \cdot L_v\) | Buée sur panneaux froids, condensation dans l'étuve |
| Sublimation | Solide → Gaz | Absorbe | \(E = m \cdot L_s\) | CO₂ sec pour refroidissement de pièce en atelier |
| Cond. solide | Gaz → Solide | Dégage | \(E = m \cdot L_s\) | Givre sur les canalisations de l'atelier en hiver |