Transformations physiques Exercices |
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1)- Exercice 3 page 104: Distinguer des transformations
:
Énoncé
Distinguer des
transformations:
On
place:
-
Dans un
cristallisoir contenant de l’eau chaude,
-
Un bécher
(1)
contenant un glaçon d’eau,
-
Un bécher
(2)
contenant un morceau de sucre;
-
Dans un
bécher (3) de l’eau à la même température que dans
le cristallisoir et un morceau de sucre.
-
On agite.
-
On bout de 10 min, on observe les résultats
suivants:
1-
Nommer la transformation subie par le glaçon.
2-
En exploitant l’expérience, expliquer pourquoi
on ne peut pas
affirmer que le sucre fond dans un verre d’eau. |
Correction
Distinguer des
transformations: 1-Transformation subie par le glaçon:
-Au départ,
dans le bécher (1)
on a un glaçon d’eau.
-C’est-à-dire de l’eau à l’état solide.
- Au bout de
10 min, on est en présence d’eau à l’état liquide dans le bécher
(1).
-
Le glaçon
a subi une fusion:
-
La fusion
de l’eau peut être modélisée par l’équation suivante:
-
H2O
(s)
→ H2O
(ℓ) 2-
Le sucre ne «fond» pas dans un verre d’eau.
-
Dans le
bécher (2), on remarque
qu’il reste du sucre à l’état solide.
-
S’il
s’était agi d’une transformation physique, le sucre serait devenu
liquide dans le bécher (2).
-
Alors que
dans le bécher (3), on
obtient une solution sucrée. Le sucre à l’état solide a disparu.
-
Le sucre
ne fond pas dans l’eau, il se dissout. |
2)-
Exercice6 page
104: Décrire des états physiques :
Énoncé
Décrire des états
physiques:
On a mesuré la
température au cours du temps lors de
la solidification du
cyclohexane.
Les résultats
sont rassemblés dans le tableau suivant:
1-Tracer le graphique représentant l’évolution de la température au
cours du temps. 2-
Identifier les états physiques par lesquels passe
le cyclohexane au
cours du temps. 3-
Expliquer les
modifications se produisant à l’échelle microscopique lors du
changement d’état. |
Correction Décrire des états physiques
Tableau de
mesures:
1-Graphique représentant l’évolution de la température au cours du
temps.
-
Réalisé avec le tableur Excel:
2-États physiques par lesquels passe le cyclohexane au cours du
temps:
-
Les différentes étapes:
3-Modifications se produisant à l’échelle microscopique lors du
changement d’état.
-
Passage de
l’état liquide à l’état solide:
-
L’état
liquide comme l’état solide est un état condensé.
-
À l’état liquide,
les entités chimiques sont les unes contre les autres et peuvent
glisser les unes sur les autres.
-
À l’état solide,
les entités chimiques sont en contact les unes
avec les autres.
-
On est en
présence d’un assemblage compact et ordonné.
-
Les
entités chimiques sont en vibration constante autour d’une position
d’équilibre. - Les interactions entre les molécules sont modifiées.
-
Il apparaît de
nouvelles interactions entre les molécules
qui assurent la cohésion
du cristal.
-
Lors d’une
solidification, l’espèce chimique
change d’état physique et son énergie diminue
-
Alors que
celle du milieu extérieur augmente:
-
La
transformation est exothermique (Q < 0)
-
Le milieu
extérieur se réchauffe. |
3)- Exercice 7 page 104: Écrire une équation de
changement d’état :
Énoncé
Écrire une
équation de changement d’état : L’huile d’olive, essentiellement composée d’acide oléique
C18H34O2,
se fige lorsqu’elle est placée au réfrigérateur.
- Écrire
l’équation de cette transformation. |
Correction
Écrire une
équation de changement d’état: L’huile d’olive, essentiellement composée d’acide oléique
C18H34O2,
se fige lorsqu’elle est placée au réfrigérateur.
-
Équation
de cette transformation:
-
On
refroidit l’huile.
-
L’huile
passe de l’état liquide à l’état solide.
-
C’est une
solidification. C18H34O2 (ℓ) → C18H34O2 (s) |
4)- Exercice 8 page 104: Reconnaître l’équation d’une
transformation:
Énoncé
Reconnaître
l’équation d’une transformation:
-
L’équation
écrite ci-dessous est-elle celle d’un changement d’état d’une espèce
chimique?
-
Justifier.
2 H2
(g) + O2
(g) →
H2O
(ℓ) |
Correction
Reconnaître
l’équation d’une transformation:
2 H2
(g) + O2
(g) →
H2O
(ℓ)
-
Cette
équation est l’équation d’une réaction chimique
-
On est en
présence d’une transformation chimique:
-
Réactifs et
produits correspondent à des
espèces chimiques différentes, mais avec conservation des éléments
chimiques et de la charge électrique.
-
Alors que
l’équation suivante est celle d’une transformation physique:
-
Exemple: la vaporisation de l’eau:
H2O
(ℓ)
→ H2O
(g)
-
Réactifs et
produits correspondent à des
espèces chimiques identiques dont seuls les états physiques
différent. |
5)- Exercice 10 page 105: Comprendre l’effet d’une
transformation :
Énoncé
Comprendre
l’effet d’une transformation:
En hiver,
certains arboriculteurs aspergent les arbres d’eau liquide qui
se transforme en glace sur les branches.
-
Pourquoi
cette opération protège-t-elle les branches du froid ? |
Correction
Comprendre
l’effet d’une transformation:
En hiver,
certains arboriculteurs aspergent les arbres d’eau liquide qui
se transforme en glace sur les branches.
-
La
transformation physique qui se produit est une solidification.
H2O
(ℓ)
→ H2O
(s)
-
Lors d’une
solidification,
-
L’eau
change d’état physique et son énergie diminue
-
Alors que
celle du milieu extérieur augmente:
-
La
transformation est exothermique (Q < 0)
-
Le milieu
extérieur se réchauffe.
-
Le but de
l’opération est de réchauffer les branches et ainsi éviter leur gel. |
6)- Exercice 11 page 105:
Calculer une énergie massique de fusion :
Énoncé
Calculer une
énergie massique de fusion :
Une énergie de
500 J est nécessaire pour faire fondre 1,26 g d’aluminium solide.
-
Calculer
l’énergie massique de fusion Lf de l’aluminium en
kJ . kg–1. |
Correction
Calculer une
énergie massique de fusion :
-
Énergie
massique de fusion Lf de l’aluminium en kJ . kg–1.
-
Q
= 500 J et m =
1,36 g
-
Fusion:
passage de l’état solide à l’état liquide.
-
Chaleur
latente de changement d’état:
Lf
-
Relation:
Q = m . Lf
-
|
7)- Exercice 12 page 105: Calculer une variation
d’énergie:
Énoncé
Calculer une
variation d’énergie: La température d’ébullition de l’ammoniac NH3 est égale à
– 33,3
° C à la pression de 1013 hPa. 1-
Lorsque de l’ammoniac se vaporise, reçoit-il ou libère-t-il de
l’énergie? 2-
Calculer l’énergie Q transférée lors de la vaporisation de
2,5 kg d’ammoniac.
-
Donnée:
-
Énergie
massique de vaporisation de l’ammoniac:
-
Lv
(NH3) = 1,37 × 103 kJ . kg–1. |
Correction
Calculer une
variation d’énergie: 1-Vaporisation de l’ammoniac:
-
Lors de la
vaporisation de
l’ammoniac,
-
L’espèce
chimique change d’état physique et son énergie augmente
-
L’ammoniac
reçoit de l’énergie
-
Alors que
celle du milieu extérieur diminue:
-
La transformation est endothermique (Q > 0) 2-Énergie Q transférée lors de la vaporisation de 2,5 kg
d’ammoniac:
-
Énergie
reçue par le système (ammoniac)
-
Q
= m . Lv (NH3)
-
Q
= 2,5 × 1,37 × 103
-
Q
≈ 3,4 × 103 kJ . kg–1 |
8)- Exercice 14 page 105: Garçon: un lait chaud:
Énoncé
Garçon: un lait
chaud :
Au café, le
serveur réchauffe 220 mL de lait en y injectant de la vapeur d’eau à
120,0 ° C.
Le lait,
initialement à 18 ° C, est réchauffé à 60,0 ° C. On suppose que les transferts thermiques se font uniquement entre le lait et la vapeur d’eau, et que toute la vapeur injectée devient
liquide puis se refroidit à 60,0 ° C.
Énoncé compact:
-
Quelle masse de vapeur d’eau le serveur doit-il
injecter?
Énoncé détaillé:
1-
Calculer l’énergie reçue par le lait pour s’échauffer de 18,0 ° C à
60 ° C. 2-
Exprimer, en fonction de la masse m de vapeur d’eau injectée: a-
L’énergie libérée par cette vapeur en se refroidissant jusqu’à 100,0
° C. b-
L’énergie libérée par cette vapeur d’eau en devenant liquide. c-
L’énergie libérée par l’eau liquide formée en se refroidissant
de
100 ° C à 60,0 ° C. 3-
À l’aide d’un bilan des échanges énergétiques calculer la masse m
de vapeur que le serveur a injectée dans le lait.
-
Donnée:
-
Masse
volumique du lait:
-
ρlait
= 1,00 kg . L–1
-
Énergie
massique de liquéfaction de l’eau
-
Lℓ
= – 2257 kJ . kg–1 - Énergie transférée lors d’une variation de température Δθ sans changement d’état,
de la masse m d’un corps de capacité
thermique massique c:
-
Q
= m . c . Δθ
-
ceau
(g) = 1,89 kJ . kg–1 . ° C–1
-
clait
(ℓ) = ceau (ℓ) =
4,18 kJ . kg–1 . ° C–1
|
Correction
Garçon: un lait chaud:
Énoncé compact:
-
Masse de
vapeur d’eau m le serveur doit injecter:
-
Cette
masse m de vapeur a servi à réchauffer le lait de 18 ° C à 60
° C.
-
On peut
mettre en évidence les différentes étapes subit par cette masse m
de vapeur d’eau.
-
On peut
faire un diagramme:
-
Expression
de Q1:
-
Q1=
m . ceau (g) .
Δθ
-
Q1=
m . ceau (g) . (100 – 120)
-
Q1=
– 20 m . ceau (g)
-
Expression
de Q2:
-
Q2
= m . Lℓ
-
Expression
de Q3:
-
Q3=
m . ceau (ℓ) .
Δθ
-
Q3=
m . ceau (ℓ) . (60 – 100)
-
Q3=
– 40 m . ceau (ℓ)
-
On pose:
-
Qeau
= Q1 +
Q2 + Q3
-
Qeau
= m . (– 20 ceau (g) + Lℓ
– 40 ceau (ℓ))
-
On suppose
que les transferts thermiques se font uniquement entre le lait et la
vapeur d’eau:
-
Énergie
transférée au lait:
-
Qlait=
mlait . clait (ℓ) .
Δθ
-
Qlait=
ρlait . Vlait . clait
(ℓ) . (60 – 18)
-
Qlait=
42 ρlait . Vlait . clait
(ℓ)
-
L’énergie
perdue par la vapeur d’eau est gagnée par le lait:
-
Qeau
+ Qlait = 0
-
42 ρlait
. Vlait . clait (ℓ) = m .
(20 ceau (g) – Lℓ + 40 ceau
(ℓ))
-
On tire:
-
-
Application numérique: attention aux unités
-
Énoncé détaillé:
4-Énergie reçue par le lait pour s’échauffer de 18,0 ° C à 60 ° C.
-
Qlait=
mlait . clait (ℓ) .
Δθ
-
Qlait=
ρlait
. Vlait
. clait
(ℓ) . (60 –
18)
-
Qlait=
42 ρlait . Vlait . clait
(ℓ)
-
Qlait=
42 × 1,00 × 220 ×10–3 × 4,18
-
Qlait≈
38,6 kJ
-
Les
unités:
-
Il faut
convertir le volume du lait en litre L.
-
(kg
. L–1)
. (L)
. (kJ
. kg–1 . ° C–1)
. (°
C) = (kJ)
-
Le résultat est bien en kilojoule kJ. 5-
Expression, en fonction de la masse m de vapeur d’eau
injectée: a-
Énergie libérée par cette vapeur en se refroidissant jusqu’à 100,0 °
C.
-
Q1=
m . ceau (g) .
Δθ
-
Q1=
m . ceau (g) . (100 – 120)
-
Q1=
– 20 m . ceau (g)
-
Q1
= – 83,6 m avec Q1 en kJ et m en kg b-Énergie libérée par cette vapeur d’eau en devenant liquide.
-
Q2
= m . Lℓ
-
Q2
= – 2257 m avec Q2 en kJ et m en kg c-
Énergie libérée par l’eau liquide formée en se refroidissant
de 100
° C à 60,0 ° C.
-
Q3=
m . ceau (ℓ) .
Δθ
-
Q3=
m . ceau (ℓ) . (60 – 100)
-
Q3=
– 40 m . ceau (ℓ)
-
Q3=
– 167 m avec Q3 en kJ et m en kg 6-
Bilan des échanges énergétiques:
-
On suppose
que les transferts thermiques se font uniquement entre le lait et la
vapeur d’eau:
-
Qeau
+ Qlait = 0
-
Qlait
= – Qeau
-
L’énergie
transférée vers le lait provient de l’énergie cédée par la masse
m de vapeur d’eau.
-
Masse m
de vapeur que le serveur a injectée dans le lait.
-
38,6
≈ 83,6 m + 2257 m + 167 m
-
2,51 × 103
m ≈ 38,6
-
m
≈ 1,54 × 10–2 kg
-
m
≈ 15,4 g |
9)- Exercice 23 page 108: La fusion du fer
Énoncé
La fusion du
fer:
Le fer peut être
obtenu à partir de ferrailles de récupération.
Celles-ci sont
acheminées jusqu’à un four électrique pouvant contenir jusqu’à 160
tonnes de ferrailles.
On obtient du fer
liquide, prêt à être coulé, refroidi et découpé en bloc. 1-
Transformation du fer: a-
Écrire l’équation de la fusion du fer. b-
Calculer l’énergie Q2
transférée lors du changement d’état du fer. 2-
Énergie électrique: a-
Calculer, en kWh, l’énergie à fournir au four électrique pour
réaliser cette opération. b-
Comparer la valeur calculée à la question 2-a- à la
consommation électrique d’une habitation évaluée à 43 kWh / jour.
- Données:
-
θfus
(fer) = 1535 ° C
- Énergie
nécessaire pour que 160 de fer passent de 20 ° C à 1535 ° C sans
changement d’état:
-
Q1
= 1,1 × 1011 J
- Énergie
massique de fusion du fer:
-
Lf
= 270 kJ . kg–1.
-
Conversion: 1 Wh = 3600 J. |
Correction
La fusion du
fer: 1-
Transformation du fer: a- Équation de la
fusion du fer:
Fe
(s)
→ Fe
(ℓ)
- Lors de la
fusion, le fer change d’état
physique et son énergie augmente
- Alors que
celle du milieu extérieur diminue:
-
La transformation est endothermique (Q > 0) b-
Énergie Q2 transférée lors du changement d’état du
fer:
- Masse de
fer: m = 160 t = 1,60 × 105 kg
- Énergie
massique de fusion du fer:
-
Lf
= 270 kJ . kg–1.
- Relation
- Q2
= m . Lf
- Q2
= 1,60 × 105 × 270 × 103
- Q2
≈ 4,32 × 1010 J 2-
Énergie électrique: a-
Énergie à fournir au four électrique:
- Le four
doit chauffer la masse m
= 160 t de fer:
- De 20 ° c
à 1535 ° C sans changement d’état
- C’est la
quantité de chaleur Q1
- Puis il
doit réaliser la fusion de la masse
m = 160 t de fer:
- C’est la
quantité de chaleur Q2.
- Ef
= Q1 +
Q2
- Ef
≈ 1,1 × 1011 + 4,32 × 1010
- Ef
≈1,5 × 1011 J b-
Comparaison avec la consommation électrique
d’une habitation:
-
Consommation: 43 kWh / jour
-
Conversion: 1 Wh = 3600 J
-
Consommation journalière d’une habitation:
- Eh
= 43 × 103 × 3600
- Eh
≈ 1,5 × 108 J
-
- L’énergie que doit fournir le four électrique correspond à environ
1000 jours
de consommation électrique d’une habitation.
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