Changements d'état et énergie thermique — Physique-Chimie — Seconde Bac Pro
Durée : 10-15 min | Calculatrice autorisée
Barème : 20 points
Compléter le tableau :
| État | Forme propre ? | Volume propre ? |
|---|---|---|
| Solide | .......... | .......... |
| Liquide | .......... | .......... |
| Gaz | .......... | .......... |
| État | Forme propre ? | Volume propre ? |
|---|---|---|
| Solide | Oui | Oui |
| Liquide | Non (forme du récipient) | Oui |
| Gaz | Non (forme du récipient) | Non (occupe tout le volume) |
Indiquer le nom du changement d'état pour chaque situation :
a) La glace fond dans un verre d'eau → ..........
b) L'eau bout dans une casserole → ..........
c) Le vernis sèche (le solvant s'évapore) → ..........
d) De la buée se forme sur une vitre froide en atelier → ..........
a) Fusion (solide → liquide).
b) Vaporisation (liquide → gaz, par ébullition).
c) Vaporisation (liquide → gaz, par évaporation).
d) Condensation (gaz → liquide : la vapeur d'eau de l'air se transforme en gouttelettes).
On chauffe de la glace. On observe deux paliers de température.
a) À quelle température se situe le premier palier ? Quel changement d'état correspond ? → .......... °C, c'est la ..........
b) À quelle température se situe le deuxième palier ? Quel changement d'état correspond ? → .......... °C, c'est l'..........
a) Le premier palier est à 0 °C, c'est la fusion (glace → eau liquide).
b) Le deuxième palier est à 100 °C, c'est l'ébullition (eau liquide → vapeur d'eau).
Calculer l'énergie nécessaire pour faire fondre 500 g de glace à 0 °C.
a) Convertir 500 g en kg : \(m =\) .......... kg
b) Calculer : \(Q = m \times L_f = ......... \times 334\,000 = ..........\) J
c) Convertir en kJ : \(Q =\) .......... kJ
a) \(m = 500\text{ g} = \mathbf{0{,}500\text{ kg}}\)
b) \(Q = 0{,}500 \times 334\,000 = \mathbf{167\,000\text{ J}}\)
c) \(Q = \mathbf{167\text{ kJ}}\)
Répondre par « absorbe » ou « dégage » de la chaleur :
a) La fusion .......... de la chaleur.
b) La solidification .......... de la chaleur.
c) La vaporisation .......... de la chaleur.
d) La condensation .......... de la chaleur.
a) La fusion absorbe de la chaleur (endothermique).
b) La solidification dégage de la chaleur (exothermique).
c) La vaporisation absorbe de la chaleur (endothermique).
d) La condensation dégage de la chaleur (exothermique).
Barème : 20 points
Compléter le tableau :
| État | Compressible ? | Forme propre ? |
|---|---|---|
| Solide | .......... | .......... |
| Liquide | .......... | .......... |
| Gaz | .......... | .......... |
| État | Compressible ? | Forme propre ? |
|---|---|---|
| Solide | Non | Oui |
| Liquide | Non (quasi incompressible) | Non (forme du récipient) |
| Gaz | Oui | Non (occupe tout le volume) |
Indiquer le nom du changement d'état pour chaque situation :
a) Le beurre fond dans une poêle chaude → ..........
b) Le givre se forme sur une vitre en hiver → ..........
c) Un glaçon se transforme en eau liquide → ..........
d) La vapeur d'une douche chaude se dépose sur le miroir → ..........
a) Fusion (solide → liquide).
b) Condensation solide (gaz → solide, la vapeur d'eau passe directement à l'état solide).
c) Fusion (solide → liquide).
d) Condensation (gaz → liquide : la vapeur d'eau se transforme en gouttelettes).
On refroidit de l'eau liquide. On observe un palier de température.
a) À quelle température se situe le palier ? Quel changement d'état correspond ? → .......... °C, c'est la ..........
b) Pendant le palier, la température augmente, diminue ou reste constante ? → ..........
a) Le palier est à 0 °C, c'est la solidification (eau liquide → glace).
b) Pendant le palier, la température reste constante. Toute l'énergie libérée sert au changement d'état.
Calculer l'énergie nécessaire pour vaporiser 200 g d'eau à 100 °C.
a) Convertir 200 g en kg : \(m =\) .......... kg
b) Calculer : \(Q = m \times L_v = ......... \times 2\,260\,000 = ..........\) J
c) Convertir en kJ : \(Q =\) .......... kJ
a) \(m = 200\text{ g} = \mathbf{0{,}200\text{ kg}}\)
b) \(Q = 0{,}200 \times 2\,260\,000 = \mathbf{452\,000\text{ J}}\)
c) \(Q = \mathbf{452\text{ kJ}}\)
Pour chaque changement d'état, indiquer s'il est endothermique ou exothermique :
a) La sublimation → ..........
b) La condensation → ..........
c) La fusion → ..........
d) La solidification → ..........
a) La sublimation est endothermique (absorbe de la chaleur).
b) La condensation est exothermique (dégage de la chaleur).
c) La fusion est endothermique (absorbe de la chaleur).
d) La solidification est exothermique (dégage de la chaleur).
Barème : 20 points
Nommer les six changements d'état et préciser pour chacun s'il absorbe ou dégage de la chaleur :
| Changement d'état | Transition | Énergie |
|---|---|---|
| 1. ... | Solide → Liquide | ... |
| 2. ... | Liquide → Solide | ... |
| 3. ... | Liquide → Gaz | ... |
| 4. ... | Gaz → Liquide | ... |
| 5. ... | Solide → Gaz | ... |
| 6. ... | Gaz → Solide | ... |
| Changement d'état | Transition | Énergie |
|---|---|---|
| Fusion | Solide → Liquide | Absorbe (endothermique) |
| Solidification | Liquide → Solide | Dégage (exothermique) |
| Vaporisation | Liquide → Gaz | Absorbe (endothermique) |
| Condensation | Gaz → Liquide | Dégage (exothermique) |
| Sublimation | Solide → Gaz | Absorbe (endothermique) |
| Condensation solide | Gaz → Solide | Dégage (exothermique) |
Un menuisier fait sécher un lot de planches de chêne en étuve. Il doit vaporiser 2 kg d'eau contenue dans le bois.
Donnée : \(L_v(\text{eau}) = 2\,260\,000\) J/kg
a) Calculer l'énergie nécessaire pour vaporiser cette eau.
b) Convertir le résultat en MJ.
a) \(Q = m \times L_v = 2 \times 2\,260\,000 = \mathbf{4\,520\,000\text{ J}}\)
b) \(Q = \mathbf{4{,}52\text{ MJ}}\)
C'est une énergie considérable, ce qui explique le coût du séchage en étuve.
On observe la courbe de chauffage d'un corps pur inconnu. On relève les informations suivantes :
a) Que se passe-t-il pour la température pendant un palier ?
b) Quel changement d'état correspond au premier palier ? Au deuxième ?
c) Le corps est-il de l'eau ? Justifier avec les températures de changement d'état de l'eau.
a) Pendant un palier, la température reste constante même si on continue à chauffer. Toute l'énergie reçue sert au changement d'état.
b) Le premier palier (80 °C) correspond à la fusion (solide → liquide). Le deuxième palier (218 °C) correspond à l'ébullition (liquide → gaz).
c) Non, ce n'est pas de l'eau. L'eau fond à 0 °C et bout à 100 °C (sous pression normale). Les températures de ce corps pur (80 °C et 218 °C) ne correspondent pas.
En atelier, un artisan menuisier applique du vernis contenant un solvant volatil. Le solvant s'évapore à température ambiante.
a) Quel changement d'état se produit lors de l'évaporation du solvant ?
b) Ce changement d'état absorbe-t-il ou dégage-t-il de la chaleur ?
c) Citer deux précautions de sécurité à prendre dans l'atelier lors de l'application de vernis.
a) Il s'agit d'une vaporisation (liquide → gaz), plus précisément d'une évaporation (vaporisation lente à la surface, sans ébullition).
b) Ce changement d'état absorbe de la chaleur (endothermique).
c) Deux précautions :
Quelle est la différence entre ébullition et évaporation ? Donner un exemple de chaque phénomène en lien avec le métier de menuisier.
Ébullition : vaporisation rapide dans tout le liquide, à une température fixée (100 °C pour l'eau à pression normale). Exemple : l'eau bout dans un bac de traitement thermique du bois.
Évaporation : vaporisation lente à la surface du liquide, à n'importe quelle température. Exemple : le white-spirit d'un pinceau de vernissage s'évapore progressivement à température ambiante.
Barème : 20 points
Compléter le tableau des changements d'état avec le nom et le sens de la transition :
| Nom | Transition | Absorbe ou dégage ? |
|---|---|---|
| Fusion | ... → ... | ... |
| ... | Liquide → Gaz | ... |
| Solidification | ... → ... | ... |
| ... | Gaz → Liquide | ... |
| Sublimation | ... → ... | ... |
| ... | Gaz → Solide | ... |
| Nom | Transition | Absorbe ou dégage ? |
|---|---|---|
| Fusion | Solide → Liquide | Absorbe (endothermique) |
| Vaporisation | Liquide → Gaz | Absorbe (endothermique) |
| Solidification | Liquide → Solide | Dégage (exothermique) |
| Condensation | Gaz → Liquide | Dégage (exothermique) |
| Sublimation | Solide → Gaz | Absorbe (endothermique) |
| Condensation solide | Gaz → Solide | Dégage (exothermique) |
Un fabricant de meubles doit sécher un lot de planches d'érable contenant 3,5 kg d'eau.
Donnée : \(L_v(\text{eau}) = 2\,260\,000\) J/kg
a) Calculer l'énergie nécessaire pour vaporiser cette eau.
b) Convertir le résultat en MJ.
a) \(Q = m \times L_v = 3{,}5 \times 2\,260\,000 = \mathbf{7\,910\,000\text{ J}}\)
b) \(Q = \mathbf{7{,}91\text{ MJ}}\)
Le séchage de ce lot consomme une énergie importante, justifiant l'utilisation d'étuves performantes.
On observe la courbe de chauffage d'un corps pur inconnu. On relève les informations suivantes :
a) Que se passe-t-il pour la température pendant un palier ?
b) Quel changement d'état correspond au premier palier ? Au deuxième ?
c) Ce corps pourrait-il être du mercure (fusion à −39 °C, ébullition à 357 °C) ? Justifier.
a) Pendant un palier, la température reste constante même si on continue à chauffer. Toute l'énergie fournie sert au changement d'état.
b) Le premier palier (−39 °C) correspond à la fusion (solide → liquide). Le deuxième palier (357 °C) correspond à l'ébullition (liquide → gaz).
c) Oui, les températures de changement d'état correspondent exactement à celles du mercure (fusion à −39 °C et ébullition à 357 °C). Ce corps pur est très probablement du mercure.
Un artisan menuisier utilise de la cire d'abeille pour protéger un meuble en noyer. La cire fond à environ 63 °C.
a) Quel changement d'état se produit lorsque la cire est chauffée au bain-marie ?
b) Ce changement d'état absorbe-t-il ou dégage-t-il de la chaleur ?
c) Que se passe-t-il lorsque la cire refroidit sur le bois ? Quel changement d'état se produit ?
a) Il s'agit de la fusion (solide → liquide) : la cire passe de l'état solide à l'état liquide.
b) Ce changement d'état absorbe de la chaleur (endothermique).
c) La cire se solidifie en refroidissant sur le bois (liquide → solide). La solidification est exothermique : elle dégage de la chaleur en formant un film protecteur solide.
Quelle est la différence entre sublimation et condensation solide ? Donner un exemple de sublimation observable dans la vie quotidienne.
Sublimation : passage direct de l'état solide à l'état gazeux, sans passer par l'état liquide. C'est un processus endothermique (absorbe de la chaleur).
Condensation solide : passage direct de l'état gazeux à l'état solide. C'est un processus exothermique (dégage de la chaleur).
Exemple de sublimation : la naphtaline (boules antimites) disparaît progressivement sans fondre, elle se sublime directement en vapeur. Autre exemple : la neige carbonique (CO₂ solide) se sublime en gaz à température ambiante.
Barème : 20 points
Un fabricant de mobilier doit sécher un lot de planches contenant au total 8 kg d'eau. L'étuve a une puissance utile de 5 kW.
Donnée : \(L_v(\text{eau}) = 2\,260\,000\) J/kg
a) Calculer l'énergie totale nécessaire pour vaporiser cette eau.
b) En déduire le temps minimum de séchage en heures. On utilisera \(\Phi = Q / t\), donc \(t = Q / \Phi\).
a) \(Q = m \times L_v = 8 \times 2\,260\,000 = \mathbf{18\,080\,000\text{ J} = 18{,}08\text{ MJ}}\)
b) \(\Phi = 5\text{ kW} = 5\,000\text{ W}\)
\(t = \dfrac{Q}{\Phi} = \dfrac{18\,080\,000}{5\,000} = 3\,616\text{ s} \approx \mathbf{60\text{ min} = 1\text{ h}}\)
En réalité, le séchage prend beaucoup plus longtemps car toute la puissance n'est pas utilisée pour la vaporisation (pertes thermiques, montée en température du bois).
On souhaite comparer l'énergie de fusion et l'énergie de vaporisation de l'eau.
Données : \(L_f = 334\,000\) J/kg ; \(L_v = 2\,260\,000\) J/kg
a) Pour 1 kg d'eau, calculer l'énergie de fusion et l'énergie de vaporisation.
b) Calculer le rapport \(L_v / L_f\). Interpréter ce résultat.
c) Expliquer pourquoi le séchage du bois (vaporisation de l'eau) est un processus si coûteux en énergie.
a) Pour 1 kg : \(Q_f = 1 \times 334\,000 = \mathbf{334\text{ kJ}}\) ; \(Q_v = 1 \times 2\,260\,000 = \mathbf{2\,260\text{ kJ}}\)
b) \(\dfrac{L_v}{L_f} = \dfrac{2\,260\,000}{334\,000} \approx \mathbf{6{,}8}\)
Il faut environ 6,8 fois plus d'énergie pour vaporiser l'eau que pour la faire fondre. Cela s'explique par le fait que lors de la vaporisation, il faut rompre toutes les liaisons entre les molécules pour les séparer complètement.
c) Le séchage du bois nécessite de vaporiser toute l'eau contenue dans les cellules. Comme \(L_v\) est très élevée (2,26 MJ/kg), chaque kilogramme d'eau à évaporer consomme une grande quantité d'énergie. Un lot de planches peut contenir plusieurs dizaines de kilogrammes d'eau, d'où un coût énergétique considérable.
Un métreur évalue le coût énergétique du séchage d'un lot de bois. Le lot contient 15 kg d'eau à évaporer. Le prix de l'énergie est 0,20 €/kWh.
Donnée : \(L_v = 2\,260\,000\) J/kg ; 1 kWh = 3 600 000 J
a) Calculer l'énergie totale \(Q\) en joules.
b) Convertir en kWh.
c) Calculer le coût de l'énergie nécessaire pour ce séchage.
a) \(Q = 15 \times 2\,260\,000 = \mathbf{33\,900\,000\text{ J}}\)
b) \(Q = \dfrac{33\,900\,000}{3\,600\,000} \approx \mathbf{9{,}4\text{ kWh}}\)
c) Coût : \(9{,}4 \times 0{,}20 = \mathbf{1{,}88\text{ €}}\)
Ce coût ne représente que l'énergie théorique minimale. En réalité, le rendement de l'étuve (pertes, ventilation) multiplie ce coût par un facteur 3 à 5.
Le white-spirit utilisé en atelier a un point d'éclair d'environ 40 °C.
a) Que signifie « point d'éclair » ?
b) Pourquoi est-il dangereux d'utiliser du white-spirit dans un atelier mal ventilé en été (température ambiante 35-40 °C) ?
c) Proposer trois mesures de sécurité adaptées.
a) Le point d'éclair est la température minimale à laquelle les vapeurs d'un liquide inflammable, mélangées à l'air, peuvent s'enflammer au contact d'une source d'ignition (flamme, étincelle).
b) Si la température ambiante atteint 35-40 °C, elle est proche du point d'éclair du white-spirit (40 °C). Les vapeurs émises par évaporation peuvent atteindre une concentration inflammable. La moindre étincelle (interrupteur, meuleuse, électricité statique) pourrait provoquer un incendie ou une explosion.
c) Trois mesures de sécurité :
Un ingénieur thermicien étudie la solidification de l'aluminium fondu dans un moule. L'aluminium se solidifie à 660 °C.
Donnée : \(L_f(\text{aluminium}) = 397\,000\) J/kg. Le moule contient 3 kg d'aluminium liquide.
a) Calculer l'énergie dégagée lors de la solidification.
b) La solidification est-elle endothermique ou exothermique ? Justifier.
a) \(Q = m \times L_f = 3 \times 397\,000 = \mathbf{1\,191\,000\text{ J} = 1{,}19\text{ MJ}}\)
b) La solidification est exothermique : elle dégage de la chaleur. C'est le processus inverse de la fusion (qui absorbe de la chaleur). L'énergie dégagée est la même en valeur absolue que celle qu'il faudrait fournir pour fondre la même masse.
Barème : 20 points
Un menuisier agenceur doit sécher un lot de planches de hêtre contenant au total 12 kg d'eau. L'étuve a une puissance utile de 4 kW.
Donnée : \(L_v(\text{eau}) = 2\,260\,000\) J/kg
a) Calculer l'énergie totale nécessaire pour vaporiser cette eau.
b) En déduire le temps minimum de séchage en heures. On utilisera \(t = Q / \Phi\).
a) \(Q = m \times L_v = 12 \times 2\,260\,000 = \mathbf{27\,120\,000\text{ J} = 27{,}12\text{ MJ}}\)
b) \(\Phi = 4\text{ kW} = 4\,000\text{ W}\)
\(t = \dfrac{Q}{\Phi} = \dfrac{27\,120\,000}{4\,000} = 6\,780\text{ s} \approx \mathbf{113\text{ min} \approx 1\text{ h } 53\text{ min}}\)
En pratique, le séchage dure beaucoup plus longtemps en raison des pertes thermiques et de la lenteur de la diffusion de l'eau dans le bois.
On souhaite comparer l'énergie de fusion de la glace et l'énergie de fusion du fer.
Données : \(L_f(\text{eau}) = 334\,000\) J/kg ; \(L_f(\text{fer}) = 272\,000\) J/kg
a) Pour 5 kg de glace et 5 kg de fer, calculer l'énergie de fusion de chacun.
b) Lequel nécessite le plus d'énergie par kilogramme ? Est-ce surprenant ?
c) Le fer fond à 1 538 °C et la glace à 0 °C. Expliquer pourquoi la chaleur latente de fusion ne suffit pas à évaluer la difficulté de faire fondre un matériau.
a) Glace : \(Q = 5 \times 334\,000 = \mathbf{1\,670\,000\text{ J} = 1{,}67\text{ MJ}}\)
Fer : \(Q = 5 \times 272\,000 = \mathbf{1\,360\,000\text{ J} = 1{,}36\text{ MJ}}\)
b) La glace nécessite plus d'énergie par kg (334 kJ/kg > 272 kJ/kg). C'est surprenant car on associe le fer à un matériau difficile à fondre.
c) La chaleur latente ne mesure que l'énergie du changement d'état lui-même. Pour fondre le fer, il faut d'abord le chauffer de la température ambiante jusqu'à 1 538 °C, ce qui nécessite une énergie considérable supplémentaire (\(Q = m \times c \times \Delta T\)). Pour la glace, il suffit d'atteindre 0 °C. L'énergie totale pour fondre le fer est donc bien supérieure.
Un artisan calcule le coût du séchage d'un lot de bois de frêne. Le lot contient 20 kg d'eau à évaporer. Le prix de l'énergie est 0,18 €/kWh.
Donnée : \(L_v = 2\,260\,000\) J/kg ; 1 kWh = 3 600 000 J
a) Calculer l'énergie totale \(Q\) en joules.
b) Convertir en kWh.
c) Calculer le coût de l'énergie nécessaire.
a) \(Q = 20 \times 2\,260\,000 = \mathbf{45\,200\,000\text{ J}}\)
b) \(Q = \dfrac{45\,200\,000}{3\,600\,000} \approx \mathbf{12{,}6\text{ kWh}}\)
c) Coût : \(12{,}6 \times 0{,}18 \approx \mathbf{2{,}27\text{ €}}\)
C'est le coût théorique minimal. Avec les pertes de l'étuve, le coût réel est 3 à 5 fois plus élevé.
L'acétone, utilisée comme solvant de nettoyage en atelier, a un point d'ébullition de 56 °C et un point d'éclair de −20 °C.
a) Que signifie « point d'ébullition de 56 °C » ?
b) Pourquoi l'acétone est-elle encore plus dangereuse que le white-spirit (point d'éclair 40 °C) ?
c) Proposer deux mesures de sécurité pour l'utilisation de l'acétone en atelier.
a) Le point d'ébullition de 56 °C signifie que l'acétone bout à 56 °C sous pression normale. Elle s'évapore très facilement à température ambiante.
b) L'acétone est plus dangereuse car son point d'éclair est de −20 °C, ce qui signifie que ses vapeurs peuvent s'enflammer même à des températures largement inférieures à la température ambiante. Toute utilisation produit des vapeurs inflammables, quelle que soit la saison.
c) Mesures de sécurité :
Un conducteur de travaux étudie la solidification du béton. Lors de la prise du béton, une réaction chimique exothermique se produit. Le béton peut atteindre 70 °C au cœur d'une dalle épaisse.
Données : \(L_v(\text{eau}) = 2\,260\,000\) J/kg
a) Pourquoi arrose-t-on le béton frais avec de l'eau lors des fortes chaleurs ?
b) Quel changement d'état subit l'eau d'arrosage ? Est-il endothermique ou exothermique ?
a) On arrose le béton pour le refroidir. L'eau s'évapore à la surface du béton et absorbe de la chaleur, ce qui limite la montée en température et évite la fissuration due aux contraintes thermiques.
b) L'eau subit une vaporisation (liquide → gaz). C'est un processus endothermique : il absorbe de l'énergie, ce qui refroidit le béton. Chaque kilogramme d'eau évaporé absorbe 2,26 MJ de chaleur.