Exercices corrigés de Seconde : transformation physique, changements d'état et énergie

On lit le sens de chaque flèche, état de départ puis état d'arrivée :

1 va du solide au liquide : fusion.

2 va du liquide au solide : solidification.

3 va du liquide au gaz : vaporisation (on dit évaporation quand elle se fait lentement, sous la température d'ébullition, et ébullition quand des bulles se forment dans tout le liquide).

4 va du gaz au liquide : liquéfaction.

5 va directement du solide au gaz : sublimation.

6 va directement du gaz au solide : condensation.

Piège : dans la langue courante, « condensation » désigne souvent la buée, donc le passage du gaz au liquide. Dans un devoir, on écrit liquéfaction pour gaz vers liquide ; certains manuels disent « condensation liquide » et « condensation solide », ce qui est accepté si l'adjectif est écrit.

Le givre : la vapeur d'eau de l'air passe directement à l'état solide sur la vitre glacée, sans goutte intermédiaire : condensation.

La neige de culture : des gouttelettes d'eau liquide gèlent dans l'air froid : solidification.

La flaque : l'eau liquide passe à l'état gazeux, lentement, à la température de l'air : vaporisation, sous forme d'évaporation.

La boule antimite : le naphtalène solide passe directement à l'état gazeux, d'où l'odeur et l'absence de liquide : sublimation.

Le givre se forme à partir de vapeur d'eau et donne de l'eau solide :

La formule $\mathrm{H_2O}$ est la même des deux côtés : seul l'état physique, écrit entre parenthèses, change. (s) pour solide, ($\ell$) pour liquide, (g) pour gaz.

Piège : l'équation $\mathrm{2\,H_2(g)+O_2(g)}\rightarrow\mathrm{2\,H_2O(s)}$ fabrique de l'eau à partir d'autres espèces : c'est une réaction chimique, pas un changement d'état.

Dans les trois boîtes, ce sont les MÊMES molécules $\mathrm{H_2O}$, en même nombre dans le solide et dans le liquide : un changement d'état ne crée ni ne détruit aucune molécule, d'où la conservation de la masse.

Ce qui change, c'est leur disposition et leur liberté : rangées et serrées dans le solide, serrées mais en désordre dans le liquide, éloignées et rapides dans le gaz.

Exemples dans l'environnement : la fonte des neiges au printemps ou d'un glacier (fusion) ; la formation d'un nuage ou de la rosée, quand la vapeur d'eau de l'air se refroidit (liquéfaction).

Au fond, le solide passe directement à l'état gazeux, sans liquide : c'est une sublimation.

Sur la paroi froide, le gaz redevient directement solide : c'est une condensation.

Les deux changements sont inverses l'un de l'autre, comme la fusion et la solidification.

Le réactif et le produit sont la même espèce, $\mathrm{I_2}$ : seul l'état physique change.

Piège : écrire $\mathrm{I_2(s)}\rightarrow\mathrm{2\,I(g)}$. Cette équation casse chaque molécule en deux atomes : elle décrit une transformation chimique, qui ne se produit pas au fond de ce ballon.

Le modèle A est le bon : on y retrouve les huit molécules $\mathrm{I_2}$ de la boîte « avant », intactes, simplement éloignées les unes des autres et en mouvement désordonné.

Le modèle B casse les molécules : il représenterait une transformation chimique.

Le modèle C : la boîte « avant » contient $8$ molécules, soit $8\times 2=16$ atomes d'iode ; le modèle C n'en a que $5\times 2=10$. Six atomes ont disparu : la masse ne serait pas conservée, ce que la balance dément.

Méthode : dans un changement d'état, on retrouve les mêmes molécules, en même nombre ; seules leur disposition et leur agitation changent.

On compare les deux membres de chaque écriture :

(1) même espèce des deux côtés, l'état change : transformation physique.

(2) les molécules changent ($\mathrm{H_2}$ et $\mathrm{I_2}$ deviennent $\mathrm{HI}$) mais les éléments H et I se conservent : transformation chimique.

(3) le noyau change : l'iode ($Z=53$) devient du xénon ($Z=54$) : transformation nucléaire.

(4) l'éthanol reste de l'éthanol, liquide puis gaz : transformation physique.

Rien n'entre ni ne sort du ballon fermé, et les molécules sont conservées :

La masse se conserve lors d'un changement d'état ; c'est le volume qui augmente énormément, puisque les molécules du gaz sont très éloignées.

Expérience 1 : une seule espèce, l'eau, passe de l'état solide (molécules rangées) à l'état liquide (molécules en désordre) : c'est une fusion.

Expérience 2 : un solide, le saccharose, se disperse dans un liquide, l'eau ; ses molécules se retrouvent séparées et entourées de molécules d'eau : c'est une dissolution.

Le critère : une fusion concerne UNE espèce, qui change d'état ; une dissolution en concerne DEUX, un soluté et un solvant, et produit un mélange, la solution.

Expérience 1 : une seule espèce, $\mathrm{H_2O}$, sous un autre état.

Expérience 2 : deux espèces, l'eau et le saccharose, mélangées dans une même phase liquide.

Aucune molécule nouvelle n'apparaît dans les deux cas : les deux transformations sont physiques.

La masse se conserve dans une dissolution comme dans une fusion :

$200+5{,}0=205\ \mathrm{g}$ après la dissolution du sucre ;

$205+20=225\ \mathrm{g}$ après la fusion du glaçon.

Le sucre n'a pas disparu : il est toujours dans la tasse, en molécules trop petites pour être vues, et le thé est sucré.

Le sel ne fond pas : il se DISSOUT dans la fine pellicule d'eau liquide qui recouvre toujours un peu la glace, et forme de l'eau salée.

Pour le faire fondre, il faudrait dépasser la température de la route de :

C'est la glace qui fond, parce que l'eau salée ne gèle qu'au-dessous de $0\ \mathrm{^\circ C}$. La phrase juste : « le sel se dissout, et l'eau salée fait fondre la glace ».

Phrase corrigée : « le sucre s'est dissous dans le thé, le glaçon a fondu ».

Piège : « fondre » ne s'emploie que pour le passage d'un corps du solide au liquide. Un sucre qui disparaît dans un liquide se dissout ; il ne fondrait qu'au-delà d'environ $185\ \mathrm{^\circ C}$, en noircissant aussitôt.

Ce qu'on retient : on peut dissoudre sans chauffer, on ne peut pas faire fondre sans atteindre la température de fusion.

Système : l'eau qui s'évapore. Elle passe de l'état liquide à l'état gazeux, ses molécules se séparent : il faut leur fournir de l'énergie. La vaporisation est endothermique.

L'énergie vient de ce qui est au contact : l'eau restante et l'argile de la cruche. En cédant cette énergie, l'eau restante se refroidit : c'est tout le principe du botijo, un réfrigérateur sans électricité.

Le schéma du corrigé ci-dessous place la flèche $Q$ du milieu extérieur vers le système.

La vapeur devient liquide, ses molécules se rapprochent et se lient : la liquéfaction est exothermique.

C'est l'air du nuage qui reçoit l'énergie : il se réchauffe, devient plus léger et monte encore, ce qui entretient l'orage. Un gros orage libère ainsi une énergie considérable, prise au départ à l'océan qui avait vaporisé cette eau.

L'eau passe de l'état liquide à l'état solide : la solidification est exothermique.

C'est la dalle refroidie, donc le circuit de réfrigération, qui reçoit l'énergie cédée par l'eau.

Piège : penser que la solidification « prend du froid ». Le froid n'est pas une énergie : pour que l'eau gèle, il faut lui RETIRER de l'énergie, et la machine sert à cela.

Vaporisation dans la chambre du fer : endothermique, l'eau reçoit de l'énergie de la semelle.

Liquéfaction dans le tissu : exothermique, la vapeur cède cette énergie aux fibres, qui s'assouplissent. Le fer « transporte » ainsi de l'énergie au cœur du tissu grâce à l'eau.

Un changement d'état qui SÉPARE les entités (fusion, vaporisation, sublimation) demande de l'énergie : il est endothermique.

Un changement d'état qui les RAPPROCHE (solidification, liquéfaction, condensation) en libère : il est exothermique.

Chaque changement et son inverse échangent la même énergie, dans les deux sens opposés.

Pour $m=2{,}0\ \mathrm{kg}$ (pointillés) : environ $794\ \mathrm{kJ}$ pour l'aluminium, environ $494\ \mathrm{kJ}$ pour le fer.

Les tracés sont des droites passant par l'origine : l'énergie est PROPORTIONNELLE à la masse. Deux fois plus de métal contient deux fois plus d'atomes à séparer, donc demande deux fois plus d'énergie, et une masse nulle ne demande rien.

Le coefficient de proportionnalité est l'énergie massique : $L_f=\dfrac{Q}{m}$.

C'est la pente de chaque droite : la plus raide correspond au métal qui demande le plus d'énergie par kilogramme.

On convertit d'abord la masse : $350\ \mathrm{g}=0{,}350\ \mathrm{kg}$, puisque $L_f$ est donnée par kilogramme.

Piège : $350\times 59=20\,650\ \mathrm{kJ}$, mille fois trop. Avant tout calcul, on met la masse dans l'unité qui figure au dénominateur de $L$.

La solidification est la transformation inverse de la fusion : elle est exothermique et rend exactement la même énergie, $5{,}0\ \mathrm{MJ}$, au moule et à l'air de l'atelier. C'est pourquoi un moule chauffe tant que le métal n'est pas entièrement solide.

$m=2{,}7\times 10^{14}\ \mathrm{kg}$ et $L_f=3{,}34\times 10^{5}\ \mathrm{J/kg}$ :

La fonte d'une seule année absorbe l'équivalent d'environ $15\ \%$ de toute l'énergie consommée par l'humanité en un an : cette énergie vient de l'air et de l'océan, plus chauds qu'avant.

Ce qui compte pour l'ordre de grandeur : la masse énorme, puisque l'énergie lui est proportionnelle.

Le palier horizontal se lit à $\theta=44\ \mathrm{^\circ C}$ : c'est la température de fusion. Un corps pur fond à température constante, d'où le palier.

A, avant le palier : la température monte, l'échantillon est entièrement solide.

B, sur le palier : la fusion est en cours, le solide et le liquide coexistent, à $44\ \mathrm{^\circ C}$ tous les deux.

C, après le palier : tout a fondu, le liquide s'échauffe.

Piège : croire que l'échantillon est liquide dès le début du palier. Le palier commence avec la première goutte et se termine avec le dernier cristal.

Le palier commence à $2{,}6\ \mathrm{kJ}$ et finit à $11{,}7\ \mathrm{kJ}$ :

C'est l'énergie de la seule fusion : ni le chauffage du solide avant, ni celui du liquide après, n'entrent dans ce calcul.

Valeur voisine de celle des tables, environ $1{,}8\times 10^{5}\ \mathrm{J/kg}$.

Pendant le palier, l'énergie reçue ne sert pas à agiter davantage les molécules, ce qui élèverait la température : elle sert à rompre les interactions qui les tenaient rangées dans le solide. Les molécules elles-mêmes restent intactes.

L'énergie de fusion est proportionnelle à la masse : avec $100\ \mathrm{g}$, deux fois plus, le palier dure deux fois plus longtemps :

Remarque : en dehors du palier, l'énergie reçue élève la température. La relation qui le chiffre, avec la capacité thermique massique, n'est pas au programme de Seconde : elle arrive en Terminale, en spécialité physique-chimie.

La glace reçoit aussi de l'énergie de l'air de la salle, plus chaud qu'elle, et fond un peu sans aucun chauffage.

L'entonnoir B, placé dans les mêmes conditions, mesure cette fonte parasite : c'est un TÉMOIN. On la retranchera de la masse recueillie en A.

C'est la masse fondue grâce aux seuls $36{,}0\ \mathrm{kJ}$ de la résistance.

soit $3{,}36\times 10^{5}\ \mathrm{J/kg}$.

Piège : diviser par $107{,}0$ sans convertir donne $0{,}336$, mille fois trop peu ; une énergie massique de fusion de quelques centaines de kilojoules par kilogramme est l'ordre de grandeur à reconnaître.

La mesure est très proche de la valeur des tables : le témoin a bien corrigé l'apport de l'air.

Sans témoin : $\dfrac{36{,}0}{0{,}1280}\approx 281\ \mathrm{kJ/kg}$, soit près de $16\ \%$ de moins que la valeur des tables. Le groupe attribue à la résistance une fonte due en partie à l'air, donc il croit qu'il faut moins d'énergie par kilogramme.

Glace fondante : si la glace était à $-18\ \mathrm{^\circ C}$, une partie de l'énergie servirait d'abord à la réchauffer jusqu'à $0\ \mathrm{^\circ C}$, sans rien faire fondre, et $Q=m\times L_f$ ne s'appliquerait plus à l'énergie lue. La relation $Q=m\times L_f$ ne vaut que pour un corps déjà à sa température de changement d'état.

Fausse. Une ébullition est un changement d'état : les molécules $\mathrm{H_2O}$ restent intactes, elles se séparent seulement les unes des autres.

Casser l'eau en dihydrogène et dioxygène est une transformation chimique, l'électrolyse, qui demande un courant électrique, pas une casserole.

Fausse. Le froid n'est pas une chose qu'on transfère : le transfert thermique va toujours du corps le plus chaud au plus froid.

Phrase juste : « le jus cède de l'énergie au glaçon, qui l'utilise pour fondre ; en perdant cette énergie, le jus se refroidit ». La fusion du glaçon est endothermique.

Vraie. Le givre est une condensation : les molécules de vapeur se rapprochent et se fixent les unes aux autres dans un solide, ce qui libère de l'énergie, cédée à la vitre et à l'air. Exothermique, donc.

Ce dégagement d'énergie ne suffit pas à réchauffer la vitre, qui continue de perdre de l'énergie vers le ciel nocturne.

Fausse. $L_f$ est donnée en $\mathrm{kJ/kg}$ : la masse doit être en kilogrammes.

L'erreur multiplie le résultat par mille. Un contrôle d'ordre de grandeur suffit à la repérer : moins d'un kilogramme de neige demande moins de $334\ \mathrm{kJ}$.

Fausse. Pour que l'eau gèle, il faut lui RETIRER de l'énergie : la solidification est exothermique. L'eau cède de l'énergie à l'intérieur du congélateur.

L'électricité consommée sert à évacuer cette énergie hors de l'appareil, vers la cuisine : le congélateur est une pompe qui « sort » l'énergie de l'eau.

Piège : confondre l'énergie consommée par la machine et l'énergie échangée par le corps qui change d'état. On raisonne toujours sur le système, ici l'eau.

L'eau liquide pulvérisée devient solide : $\mathrm{H_2O(\ell)}\rightarrow\mathrm{H_2O(s)}$.

La solidification est exothermique : l'eau qui gèle cède de l'énergie au bourgeon et à l'air ($Q_1$ sur le schéma du corrigé).

C'est cette énergie qui compense celle que le bourgeon perd vers le ciel ($Q_2$) : la gaine reste à $0\ \mathrm{^\circ C}$, au-dessus du seuil mortel de $-2\ \mathrm{^\circ C}$.

$Q=2{,}2\times 10^{5}\times 1{,}0\times 10^{4}=2{,}2\times 10^{9}\ \mathrm{J}$ par heure.

L'énergie perdue est proportionnelle à la surface : on multiplie la perte d'un mètre carré par le nombre de mètres carrés.

L'énergie libérée par la solidification doit valoir l'énergie perdue :

soit environ $6{,}6$ tonnes d'eau par heure et par hectare. L'énergie échangée étant proportionnelle à la masse qui change d'état, une nuit deux fois plus froide demanderait deux fois plus d'eau.

$6{,}6\times 10^{3}\ \mathrm{kg}$ d'eau occupent $6{,}6\ \mathrm{m^3}$, répartis sur $1{,}0\times 10^{4}\ \mathrm{m^2}$ :

$h=\dfrac{6{,}6}{1{,}0\times 10^{4}}=6{,}6\times 10^{-4}\ \mathrm{m}\approx 0{,}66\ \mathrm{mm}$ par heure.

On arrose pourtant environ quatre fois plus : une partie de l'eau ruisselle sans geler sur le bourgeon, et une autre s'évapore. L'évaporation est endothermique : elle prend de l'énergie au bourgeon, au lieu de lui en donner.

Au lever du soleil, la gaine commence à fondre. La fusion est endothermique : la glace prend l'énergie qui lui manque à ce qui la touche, en particulier au bourgeon.

Si l'arrosage est coupé, plus aucune eau ne gèle pour compenser, et le bourgeon peut se refroidir sous $-2\ \mathrm{^\circ C}$ au moment même où l'air se réchauffe.

Tant que l'on arrose, de l'eau gèle encore et maintient le mélange eau et glace à $0\ \mathrm{^\circ C}$ jusqu'à la fonte complète.

$\mathrm{C_4H_{10}(\ell)}\rightarrow\mathrm{C_4H_{10}(g)}$ : vaporisation, endothermique.

Le fluide reçoit cette énergie de ce qui l'entoure : l'air et les aliments de l'intérieur du réfrigérateur, qui se refroidissent. C'est le même principe que la sueur ou la cruche poreuse, mais en circuit fermé.

Dans le condenseur, le gaz redevient liquide : c'est une liquéfaction, exothermique.

L'énergie est cédée à l'air de la cuisine : c'est pourquoi la grille arrière est tiède.

Le réfrigérateur ne détruit pas d'énergie : il la DÉPLACE de l'intérieur vers la cuisine, grâce aux deux changements d'état du fluide.

La solidification de l'eau est exothermique ; l'énergie à retirer vaut :

La masse est déjà en kilogrammes, comme le demande $L_f$ en $\mathrm{kJ/kg}$.

Le circuit ne contient que $0{,}050\ \mathrm{kg}$ : la même charge doit passer $\dfrac{1{,}39}{0{,}050}\approx 28$ fois dans l'évaporateur.

C'est tout l'intérêt de la boucle fermée : une petite masse de fluide, vaporisée puis liquéfiée encore et encore, transporte une grande énergie.

La cuisine se réchauffe. L'intérieur ouvert devient une partie de la cuisine : ce que l'évaporateur prend à l'air de la cuisine, le condenseur le lui rend, et il lui rend en plus l'énergie électrique consommée par le compresseur.

Bilan : la cuisine reçoit plus d'énergie qu'elle n'en perd.

Pour refroidir une pièce, il faut que le condenseur soit DEHORS : c'est ce que fait un climatiseur, et une pompe à chaleur fait l'inverse pour chauffer une maison.