Énoncé

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

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.

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:

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

2-États physiques par lesquels passe le cyclohexane au cours du temps:

- Les différentes étapes:

Cliquer sur l'image pour l'agrandir

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.

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)

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.

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.

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 L_f de l’aluminium en kJ . kg^–1.

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:

- L_v (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 . L_v (NH₃)

- Q = 2,5 × 1,37 × 10³

- Q ≈ 3,4 × 10³ kJ . kg^–1

Énoncé

Garçon: un lait chaud :

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:

- ρ_lait = 1,00 kg . L^–1

- Énergie massique de liquéfaction de l’eau

- L_ℓ = – 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

- c_eau (g) = 1,89 kJ . kg^–1 . ° C^–1

- c_lait (ℓ) = c_eau (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:

Cliquer sur le graphe pour l'agrandir

- Expression de Q₁:

- Q₁= m . c_eau (g) . Δθ

- Q₁= m . c_eau (g) . (100 – 120)

- Q₁= – 20 m . c_eau (g)

- Expression de Q₂:

- Q₂ = m . L_ℓ

- Expression de Q₃:

- Q₃= m . c_eau (ℓ) . Δθ

- Q₃= m . c_eau (ℓ) . (60 – 100)

- Q₃= – 40 m . c_eau (ℓ)

- On pose:

- Q_eau = Q₁ + Q₂ + Q₃

- Q_eau = m . (– 20 c_eau (g) + L_ℓ – 40 c_eau (ℓ))

- On suppose que les transferts thermiques se font uniquement entre le lait et la vapeur d’eau:

- Énergie transférée au lait:

- Q_lait= m_lait . c_lait (ℓ) . Δθ

- Q_lait= ρ_lait . V_lait . c_lait (ℓ) . (60 – 18)

- Q_lait= 42 ρ_lait . V_lait . c_lait (ℓ)

- L’énergie perdue par la vapeur d’eau est gagnée par le lait:

- Q_eau + Q_lait = 0

- 42 ρ_lait . V_lait . c_lait (ℓ) = m . (20 c_eau (g) – L_ℓ + 40 c_eau (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.

- Q_lait= m_lait . c_lait (ℓ) . Δθ

- Q_lait= ρ_lait . V_lait . c_lait (ℓ) . (60 – 18)

- Q_lait= 42 ρ_lait . V_lait . c_lait (ℓ)

- Q_lait= 42 × 1,00 × 220 ×10^–3 × 4,18

- Q_lait≈ 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 . c_eau (g) . Δθ

- Q₁= m . c_eau (g) . (100 – 120)

- Q₁= – 20 m . c_eau (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 . L_ℓ

- 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 . c_eau (ℓ) . Δθ

- Q₃= m . c_eau (ℓ) . (60 – 100)

- Q₃= – 40 m . c_eau (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:

- Q_eau + Q_lait = 0

- Q_lait = – Q_eau

- 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

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:

- L_f = 270 kJ . kg^–1.

- Relation

- Q₂ = m . L_f

- 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.

- E_f = Q₁ + Q₂

- E_f ≈ 1,1 × 10¹¹ + 4,32 × 10¹⁰

- E_f ≈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:

- E_h = 43 × 10³ × 3600

- E_h ≈ 1,5 × 10⁸ J

-

- L’énergie que doit fournir le four électrique correspond à environ

1000 jours de consommation électrique d’une habitation.