DS. N° 06 Transformations physiques

DS. N° 06

Transformations physiques

Cours

D.S.
Des textiles thermorégulants (15 min)

La fusion du fer (25 min).

Des textiles thermorégulants (15 min)

Les matériaux à changement d’état sont un exemple des prouesses

de la recherche-développement dans le domaine des textiles techniques.

Ces matériaux comportent des microcapsules de paraffine incorporées dans les fibres.

Pendant l’activité physique, la paraffine fond.

Lors de la pause dans l’activité sportive, le liquide contenu dans microcapsules redevient solide.

D’après : « Des textiles pour sportifs. Apport de la chimie pour améliorer confort et performances », in La chimie et le sport.

F. Roland, © Édition EDF Sciences 2011

1. Les changements d’état évoqués dans le texte ci-dessus affectent-ils la structure des molécules présentes dans les microcapsules ?

2. Les effets thermiques :

a. Quel effet thermique accompagne la fusion ? la solidification ?

b. Ces transformations sont-elles endothermique(s) ou exothermique(s) ?

3. Justifier le choix des matériaux utilisés.

4. Pourquoi peut-on affirmer que les textiles comportant des matériaux à changement d’état accroissent la capacité de récupération des sportifs

et donc leur performance ?

- Donnée :

- Température de fusion de la paraffine : entre 22 ° C et 37 ° C.

Correction

La fusion du fer (25 min) :

Le fer peut être obtenu à partir de ferrailles de récupération.

Celles-ci sont acheminées jusqu’à un four électrique pouvant contenir 160 tonnes ferrailles.

On obtient du fer liquide, prêt à être coulé, refroidi et découpé en blocs.

1. Fusion du fer :

a. Écrire l’équation de la fusion du fer Fe.

b. Calculer l’énergie Q₂ transféré 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.

- θ_fus (fer) = 1535 ° C

- Énergie nécessaire pour que 160 tonnes de fer passent de 20 ° C à 1535 ° C, sans changement d’état : Q₁ = 1,1 × 10¹¹ J.

- Énergie massique de fusion du fer : L_f = 270 kJ . kg^–1.

- 1 Wh = 3600 J

Correction

Des textiles thermorégulants (15 min)

1. Les changements d’état évoqués

- Pendant l’activité physique, la paraffine fond.

- Lors de la pause dans l’activité sportive, le liquide contenu dans microcapsules redevient solide.

- Il s’agite de la fusion et de la solidification de la paraffine.

2. Les effets thermiques :

a. Effet thermique :

- Effet thermique qui accompagne la fusion

- Lors d’une fusion,

- La paraffine change d’état physique (état solide → état liquide) et son énergie augmente

- Alors que celle du milieu extérieur diminue :

- Effet thermique qui accompagne la solidification

- Lors d’une solidification,

- La paraffine change d’état physique (état liquide → état solide) et son énergie diminue

- Alors que celle du milieu extérieur augmente :

b. Endothermique(s) ou exothermique(s) :

- La fusion est une transformation endothermique (Q > 0)

- La solidification est une transformation exothermique (Q < 0)

3. Le choix des matériaux utilisés :

- Ces matériaux comportent des microcapsules de paraffine incorporées dans les fibres.

- Température de fusion de la paraffine : entre 22 ° C et 37 ° C

- La paraffine est bien adaptée pour réguler la température à la surface de la peau du sportif lors de la récupération

car sa température de fusion est comprise entre 22 ° C et 37 ° C.

Elle est proche de celle du corps humain.

- Lors d’un effort physique, la paraffine fond.

- Lors de cette transformation, la paraffine prélève de l’énergie au milieu extérieur

c’est-à-dire la peau qui est en contact avec les capsules de paraffine.

- La peau se refroidit.

- Lors de la solidification de la paraffine, de l’énergie est cédée au milieu extérieur par la paraffine.

La peau se réchauffe.

4. Capacité de récupération des sportifs et performance :

- Ces matériaux permettent de réguler la température à la surface de la peau du sportif,

ceci aussi bien lors, d’un effort que lors de la pause.

- Il en découle une amélioration des performances et de la récupération.

La fusion du fer (25 min) :

- θ_fus (fer) = 1535 ° C

- Énergie nécessaire pour que 160 tonnes de fer passent de 20 ° C à 1535 ° C, sans changement d’état : Q₁ = 1,1 × 10¹¹ J.

- Énergie massique de fusion du fer : L_f = 270 kJ . kg^–1.

- 1 Wh = 3600 J

1. Fusion du fer :

a. Équation de la fusion du fer Fe :

- La fusion du fer peut être modélisée par l’équation suivante :

Fe (s) → Fe (ℓ)

b. Énergie Q₂ transféré lors du changement d’état du fer.

- Q₂ = m . L_f

- Q₂ = 160 × 10³ × 270

- Q₂ ≈ 4,32 × 10⁷ kJ

2. Énergie électrique :

a. Énergie, en kWh à fournir au four électrique pour réaliser cette opération.

- Énergie nécessaire pour faire passer 160 t de fer de 20 ° C

à 1535 ° C, puis pour réaliser la fusion des 160 t de fer :

- Q = Q₁ + Q₂

- Q ≈ 1,1 × 10¹¹ + 4,32 × 10⁷ × 10³

- Q ≈ 1,53 × 10¹¹ J

- Or 1 Wh = 3600 J

- Énergie E en Wh et kWh :

b. Comparaison à la consommation électrique d’une habitation :

- Consommation électrique d’une habitation :

- E_h = 43 kWh / jour.

- Étude du rapport :

- L’énergie à fournir au four électrique pour réaliser cette opération correspond à la consommation énergétique

pendant 988 jours d’une habitation.