Transformations physiques
Changements d'état, modélisation microscopique, paliers de température, transferts thermiques et énergie massique de changement d'état.
1. Les changements d'état
Définition
Une transformation physique modifie l'état physique d'une espèce (solide, liquide, gaz) sans modifier sa nature : les molécules restent les mêmes. On écrit par exemple : $\text{H}_2\text{O}\,(\ell) \rightarrow \text{H}_2\text{O}\,(g)$.
Propriété · Interprétation microscopique
Dans un solide, les entités sont liées et ordonnées ; dans un liquide, elles sont proches mais désordonnées et mobiles ; dans un gaz, elles sont éloignées et très agitées. Lors d'un changement d'état, la masse se conserve (le nombre d'entités ne change pas), mais pas forcément le volume.
2. Température et palier
Expérience · Courbe de refroidissement de l'eau
3. Énergie et changement d'état
Propriété
Une fusion, une vaporisation ou une sublimation nécessite un apport d'énergie : elles sont endothermiques. Les transformations inverses (solidification, liquéfaction, condensation) libèrent de l'énergie : elles sont exothermiques.
Définition · Énergie massique de changement d'état
L'énergie $Q$ échangée pour faire changer d'état une masse $m$ d'une espèce est :
$$Q = m \times L$$où $L$ est l'énergie massique de changement d'état (en J/kg). Pour l'eau : $L_\text{fusion} = 334$ kJ/kg et $L_\text{vaporisation} = 2\,260$ kJ/kg.
Exemple · La transpiration
L'évaporation de la sueur est endothermique : elle prélève de l'énergie à la peau, ce qui nous refroidit.
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Exercices corrigés
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Nommer les changements d'état
★☆☆Nommer : a) le givre qui se forme sur une vitre ; b) la buée sur un miroir ; c) un glaçon qui fond ; d) la naphtaline qui disparaît dans une armoire.
Écrire un changement d'état
★☆☆Écrire l'équation de la solidification de l'eau et de la vaporisation de l'éthanol $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$.
Endo ou exo
★☆☆Classer en endothermique ou exothermique : fusion de la glace, liquéfaction de la vapeur, solidification de la cire, évaporation de l'eau.
Conservation de la masse
★☆☆On fait fondre $50$ g de glace. Quelle est la masse d'eau liquide obtenue ? Le volume est-il le même ?
Énergie de fusion
★★☆Calculer l'énergie nécessaire pour faire fondre $200$ g de glace à $0\,{}^\circ\text{C}$ ($L_f = 334$ kJ/kg).
Énergie de vaporisation
★★☆Quelle énergie faut-il pour vaporiser $1{,}5$ L d'eau à $100\,{}^\circ\text{C}$ ($L_v = 2\,260$ kJ/kg) ?
Lire une courbe
★★☆Sur la courbe de refroidissement du cours, combien de temps dure la solidification ? À quelle température ?
Identifier une espèce
★★☆Un solide blanc fond à $80\,{}^\circ\text{C}$ avec un palier. Données : naphtalène ($80\,{}^\circ\text{C}$), acide stéarique ($69\,{}^\circ\text{C}$), paraffine (entre $50$ et $60\,{}^\circ\text{C}$). Identifier l'espèce. Est-elle pure ?
Modèle microscopique
★★☆Décrire l'état des molécules d'eau dans la glace, dans l'eau liquide et dans la vapeur.
Sueur
★★☆Pourquoi a-t-on froid en sortant de l'eau, même par temps chaud ?
Glaçons et boisson
★★★On met $2$ glaçons de $20$ g à $0\,{}^\circ\text{C}$ dans une boisson. Quelle énergie les glaçons prélèvent-ils à la boisson pour fondre ?
Cocotte-minute
★★☆Dans une cocotte-minute, l'eau bout à $120\,{}^\circ\text{C}$. Pourquoi ?
Altitude
★★☆Au sommet du mont Blanc, l'eau bout à environ $85\,{}^\circ\text{C}$. Expliquer.
Masse de glace
★★★On dispose de $100$ kJ. Quelle masse de glace à $0\,{}^\circ\text{C}$ peut-on faire fondre ?
Comparer les énergies
★★☆Pour une même masse d'eau, faut-il plus d'énergie pour la faire fondre ou pour la vaporiser ? Combien de fois plus ?
Physique ou chimique ?
★☆☆Classer en transformation physique ou chimique : fonte du beurre, combustion du bois, évaporation de l'alcool, rouille du fer.
Volume et changement d'état
★★★$1{,}0$ L d'eau liquide ($1{,}0$ kg) donne environ $1\,700$ L de vapeur à $100\,{}^\circ\text{C}$. Interpréter à l'échelle microscopique.
Bouteille qui éclate
★★☆Pourquoi une bouteille en verre pleine d'eau peut-elle éclater au congélateur ?
Réfrigérateur
★★★Dans un réfrigérateur, un fluide se vaporise dans les parois intérieures et se liquéfie à l'arrière de l'appareil. Expliquer pourquoi l'intérieur refroidit et l'arrière chauffe.
Vrai ou faux
★★☆a) La fusion est exothermique. b) Pendant l'ébullition de l'eau pure, sa température augmente. c) Une transformation physique conserve les molécules.
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