Physique-chimie, Seconde • Fiche de révision à Montréal

Fiche de révision : transformation physique, changements d'état et énergie (Seconde)

Cette fiche couvre la partie « transformation physique » du programme de physique-chimie de Seconde : écriture symbolique d'un changement d'état, modélisation microscopique, transformations endothermiques et exothermiques, énergie massique de changement d'état et relation $Q=m\times L$ . Elle ne refait pas le cours : elle dit ce qui coûte des points au contrôle, et le geste qui évite chaque perte.

Presque toutes ces pertes ont la même origine : oublier que, dans un changement d'état, les molécules restent les mêmes et que seule leur disposition change. Les huit pièges, les deux arbres et l'exercice type reviennent à cette règle : séparer les entités demande de l'énergie, les rapprocher en rend, et la quantité est proportionnelle à la masse.

Marque ici la fiche comme lue ou mets-la en favori : un compte gratuit, sans mot de passe, retient tes fiches lues et tes favoris d'une visite à l'autre, te dit quel chapitre attaquer ensuite et te permet de demander la méthode ou l'exercice qui te manque. Crée ton espace, un courriel suffit.

Le fil du chapitre

Dans un changement d'état, les molécules restent les mêmes : seules leur disposition et leur agitation changent. Les séparer demande de l'énergie (fusion, vaporisation, sublimation : endothermiques), les rapprocher en rend (exothermiques), en proportion de la masse.

Ce chapitre fait partie de Physique-chimie en Seconde

Pour s'entraîner Les exercices corrigés de ce chapitre, 10 exercices

Avant ce chapitre

Cette fiche suppose ces notions acquises. Si une méthode ci-dessous reste opaque, c'est presque toujours l'une d'elles qui manque, pas la fiche.

Remonter plus loin : la chaîne complète (4 chapitres) ↓

Le chemin de remédiation, du plus ancien au plus proche. Un élève qui reprend ce chapitre de zéro le reprend dans cet ordre.

1États de la matière, masse et volumeCinquième
2Mélanges, solutions et dissolutionCinquième
3Atomes, molécules et transformations chimiquesQuatrième
4Constitution de la matière

Notions couvertes

Changement d'état
Écriture symbolique d'un changement d'état
Modèle particulaire de la matière
Fusion et dissolution
Transfert thermique
Transformation endothermique
Transformation exothermique
Énergie massique de changement d'état
Palier de changement d'état
Transformation physique, chimique ou nucléaire

L'essentiel

Six changements d'état, trois qui reçoivent et trois qui cèdent

• Vers le haut de l'échelle d'énergie, le corps REÇOIT de l'énergie : fusion (solide vers liquide), vaporisation (liquide vers gaz), sublimation (solide vers gaz). Ces transformations sont endothermiques.
• Vers le bas, il en CÈDE : solidification (liquide vers solide), liquéfaction (gaz vers liquide), condensation (gaz vers solide). Ces transformations sont exothermiques.
• Un changement d'état et son inverse échangent la même énergie, dans les deux sens opposés.

Monter, c'est séparer les molécules et recevoir de l'énergie (orange) ; descendre, c'est les rapprocher et en céder (bleu), y compris par les deux passages directs entre solide et gaz.

Vocabulaire des manuels de lycée : gaz vers liquide = liquéfaction, gaz vers solide = condensation. Si votre professeur dit « condensation liquide » et « condensation solide », écrivez toujours l'adjectif.

L'équation d'un changement d'état

• La MÊME formule des deux côtés, l'état physique entre parenthèses : (s) solide, ( $\ell$ ) liquide, (g) gaz.
• $\mathrm{H_2O(s)}\rightarrow\mathrm{H_2O(\ell)}$ (fusion) ; $\mathrm{CO_2(s)}\rightarrow\mathrm{CO_2(g)}$ (sublimation) ; $\mathrm{C_2H_6O(g)}\rightarrow\mathrm{C_2H_6O(\ell)}$ (liquéfaction).
• Au niveau microscopique, aucune molécule n'est créée ni cassée : la masse se conserve, le volume change (molécules éloignées dans un gaz).

Si la formule change d'un côté à l'autre, ce n'est plus un changement d'état mais une réaction chimique ; si le noyau change, c'est une transformation nucléaire.

Énergie et masse : Q = m × L

• $Q=m\times L$ : $Q$ en joules, $m$ en kilogrammes, $L$ (énergie massique de changement d'état) en $\mathrm{J/kg}$ .
• $Q$ est proportionnelle à la masse : deux fois plus de matière qui change d'état, deux fois plus d'énergie échangée.
• Eau : $L_f=3{,}34\times 10^{5}\ \mathrm{J/kg}$ (fusion), $L_v=2{,}26\times 10^{6}\ \mathrm{J/kg}$ (vaporisation à $100\ \mathrm{^\circ C}$ ).
• La relation ne vaut que pour un corps DÉJÀ à sa température de changement d'état ; un corps pur change d'état à température constante, d'où le palier.

On écrit $Q$ positive et l'on dit en mots qui la reçoit et qui la cède.

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Appeler fonte une dissolution

1 point, souvent toute la question « nommez la transformation »

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le sel répandu sur la route fond, comme le sucre fond dans le café. »

Ce qu'il faut écrire

« Le sel et le sucre se DISSOLVENT dans l'eau ; seule la glace fond. Le sel ne fondrait qu'à $801\ \mathrm{^\circ C}$ . »

Le même sel : à

801\ \mathrm{^\circ C}

ses ions se désordonnent seuls (fusion) ; à

20\ \mathrm{^\circ C}

ils se dispersent entre les molécules d'eau (dissolution).

Pourquoi : Une fusion concerne UNE espèce qui change d'état ; une dissolution mélange deux espèces, un soluté et un solvant, sans chauffer.

2. Écrire une équation qui change la formule

Toute la question d'écriture

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Ébullition de l'eau : $\mathrm{2\,H_2O(\ell)}\rightarrow\mathrm{2\,H_2(g)+O_2(g)}$ . »

Ce qu'il faut écrire

« $\mathrm{H_2O(\ell)}\rightarrow\mathrm{H_2O(g)}$ : les molécules restent entières, elles s'éloignent. »

Pourquoi : L'équation fausse est celle de l'électrolyse, une réaction chimique. Dans un changement d'état, le symbole avant la parenthèse ne bouge jamais.

3. Oublier l'état physique entre parenthèses

0,5 à 1 point

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Fusion de la glace : $\mathrm{H_2O}\rightarrow\mathrm{H_2O}$ . »

Ce qu'il faut écrire

« $\mathrm{H_2O(s)}\rightarrow\mathrm{H_2O(\ell)}$ »

Pourquoi : Sans les états, l'équation ne dit plus rien : c'est précisément l'état qui change. Les parenthèses portent toute l'information.

4. Croire que la température change pendant le palier

1 à 2 points sur la lecture de la courbe

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le plomb liquide se refroidit, donc sa température baisse sans arrêt jusqu'à ce qu'il soit solide. »

Ce qu'il faut écrire

« Pendant la solidification, la température reste à $327\ \mathrm{^\circ C}$ : l'énergie cédée vient du rapprochement des atomes, pas de la baisse de leur agitation. »

Le vrai relevé s'arrête sur un palier à

327\ \mathrm{^\circ C}

3

10\ \mathrm{min}

; la droite rouge, sans palier, est celle que l'on imagine à tort.

Pourquoi : Un corps pur change d'état à température constante. Le palier commence au premier cristal et finit au dernier atome de liquide.

5. Inverser le sens du transfert thermique

1 point par question de sens

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Les glaçons donnent du froid à la limonade. »

Ce qu'il faut écrire

« La limonade cède de l'énergie aux glaçons, qui l'utilisent pour fondre : la fusion est endothermique, et la limonade se refroidit. »

En haut, la flèche « froid » n'existe pas ; en bas, la seule flèche juste :

Q

va de la limonade, plus chaude, vers les glaçons, qui reçoivent l'énergie.

Pourquoi : Le froid n'est pas une grandeur qui se transfère : seule l'énergie passe, toujours du corps le plus chaud vers le plus froid.

6. Laisser la masse en grammes avec L en J/kg

1 point, et un résultat mille fois trop grand

Ce qu'il ne faut pas écrire

« $Q=250\times 3{,}34\times 10^{5}=8{,}35\times 10^{7}\ \mathrm{J}$ pour faire fondre $250\ \mathrm{g}$ de glace. »

Ce qu'il faut écrire

« $m=0{,}250\ \mathrm{kg}$ , donc $Q=0{,}250\times 3{,}34\times 10^{5}=8{,}35\times 10^{4}\ \mathrm{J}$ . »

Pourquoi : L'unité de $L$ dit l'unité de la masse : $\mathrm{J/kg}$ veut des kilogrammes, $\mathrm{kJ/kg}$ donne des kilojoules.

7. Donner un signe à Q sans dire qui cède

0,5 point de rédaction

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Solidification de $0{,}250\ \mathrm{kg}$ d'eau : $Q=-8{,}35\times 10^{4}\ \mathrm{J}$ . »

Ce qu'il faut écrire

« L'eau, qui se solidifie, CÈDE $8{,}35\times 10^{4}\ \mathrm{J}$ au congélateur : la solidification est exothermique. »

Pourquoi : En Seconde, $Q=m\times L$ est une quantité positive ; le sens se dit en mots, avec le système nommé. Un signe sans système ne dit pas qui reçoit.

8. Confondre liquéfaction et condensation

0,5 point par nom

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La buée sur le miroir de la salle de bains est une condensation. »

Ce qu'il faut écrire

« La buée est une liquéfaction : la vapeur d'eau devient liquide. Le givre, lui, est une condensation : la vapeur devient directement solide. »

Pourquoi : Dans la langue courante, « condensation » désigne la buée ; au lycée, on réserve le mot au passage du gaz au solide, ou l'on précise « condensation liquide ».

Quelle méthode choisir

Quel changement d'état, et le corps reçoit-il ou cède-t-il de l'énergie ?

On lit l'état de DÉPART et l'état d'ARRIVÉE dans l'énoncé, puis on regarde si les entités s'éloignent ou se rapprochent.

Si solide puis liquide, ou liquide puis gaz, ou solide puis gaz → fusion, vaporisation ou sublimation : le corps reçoit de l'énergie, endothermique

Exemple : la glace carbonique qui disparaît en fumant : $\mathrm{CO_2(s)}\rightarrow\mathrm{CO_2(g)}$
Si liquide puis solide, ou gaz puis liquide, ou gaz puis solide → solidification, liquéfaction ou condensation : le corps cède de l'énergie, exothermique

Exemple : la rosée du matin : $\mathrm{H_2O(g)}\rightarrow\mathrm{H_2O(\ell)}$
Si l'énoncé parle de « froid » ou de « chaud » sans dire qui donne → nommer le système (le corps qui change d'état), puis dessiner la flèche Q du plus chaud vers le plus froid

Exemple : boisson vers glaçons ; vapeur vers peau ; eau qui gèle vers congélateur

Le froid ne se transfère jamais : seule l'énergie passe, et toujours du chaud vers le froid.

Fusion, dissolution, réaction chimique ou nucléaire ?

On compare ce qu'il y a AVANT et APRÈS, au niveau des entités, pas l'aspect.

Si une seule espèce, même formule, autre état → changement d'état, transformation physique

Exemple : $\mathrm{Pb(\ell)}\rightarrow\mathrm{Pb(s)}$ à $327\ \mathrm{^\circ C}$
Si un solide disparaît dans un liquide sans chauffer, et le mélange garde les deux espèces → dissolution, transformation physique

Exemple : le sel dans l'eau de cuisson, le sucre dans le café
Si de nouvelles espèces apparaissent, les éléments sont conservés → transformation chimique

Exemple : $\mathrm{C(s)+O_2(g)}\rightarrow\mathrm{CO_2(g)}$
Si les noyaux changent (le numéro atomique change) → transformation nucléaire

Exemple : $^{14}_{6}\mathrm{C}\rightarrow{}^{14}_{7}\mathrm{N}+{}^{0}_{-1}\mathrm{e}$

Ni la chaleur dégagée, ni la disparition visible ne suffisent : seule la comparaison des entités tranche.

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Calculer l'énergie échangée lors d'un changement d'état

Quand l'utiliser : L'énoncé donne une masse, une énergie massique L et demande une énergie (ou l'inverse).

1 Nommer le système : le corps qui change d'état, et sa masse.
2 Écrire l'équation du changement d'état, avec les états.
3 Dire s'il est endothermique ou exothermique, et qui reçoit l'énergie.
4 Convertir la masse dans l'unité du dénominateur de $L$ (kilogrammes pour des $\mathrm{J/kg}$ ).
5 Appliquer $Q=m\times L$ et écrire le résultat avec son unité et le bon nombre de chiffres.

Phrase de conclusion

« Le système, $0{,}250\ \mathrm{kg}$ de glace à $0\ \mathrm{^\circ C}$ , reçoit de la limonade $Q=0{,}250\times 3{,}34\times 10^{5}=8{,}35\times 10^{4}\ \mathrm{J}$ : la fusion est endothermique. »

Le piège : Sauter la conversion des grammes, ou calculer sans dire qui reçoit l'énergie.

Barème : Souvent 0,5 point pour l'équation et le sens, 1 point pour le calcul avec unité.

Expliquer un palier avec le modèle microscopique

Quand l'utiliser : « Pourquoi la température reste-t-elle constante pendant le changement d'état ? »

1 Dire que le corps est pur, d'où un changement d'état à température constante.
2 Dire que l'énergie reçue (ou cédée) ne change pas l'agitation des entités, donc pas la température.
3 Dire qu'elle sert à les séparer (fusion, vaporisation) ou qu'elle provient de leur rapprochement (solidification, liquéfaction).
4 Préciser que les deux états coexistent pendant tout le palier.

Phrase de conclusion

« Pendant le palier, l'énergie reçue sert à séparer les molécules, sans augmenter leur agitation : la température reste constante tant que le solide et le liquide coexistent. »

Le piège : Écrire que l'énergie « disparaît » ou que le thermomètre est en panne.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

L'ordre de grandeur de Q

Les énergies massiques de changement d'état valent de $10^{4}$ à quelques $10^{6}\ \mathrm{J/kg}$ . Pour un objet de la cuisine, quelques centaines de grammes, $Q$ tombe entre quelques kilojoules et un mégajoule.

Trouver $8{,}35\times 10^{7}\ \mathrm{J}$ pour un verre de glaçons dit que la masse est restée en grammes.
Le sens se vérifie par la direction du changement

Vers le gaz : le corps reçoit ; vers le solide : il cède. Relire chaque « endothermique » contre cette règle.

Une solidification qualifiée d'endothermique est fausse, quel que soit l'appareil qui la provoque.
La formule est la même des deux côtés

Dans une équation de changement d'état, couvrir les parenthèses : il doit rester deux fois exactement la même formule, sans coefficient différent.

$\mathrm{I_2(s)}\rightarrow\mathrm{2\,I(g)}$ échoue au test : c'est une réaction chimique.
La masse ne bouge pas

Après un changement d'état ou une dissolution, la masse totale est la somme des masses de départ.

$500\ \mathrm{g}$ d'eau et $10\ \mathrm{g}$ de sel donnent $510\ \mathrm{g}$ d'eau salée, pas $500\ \mathrm{g}$ .

L'exercice type décortiqué

La glace carbonique d'une glacière de vaccins

Une glacière transporte des vaccins pendant $3$ jours, refroidie par de la glace carbonique, du dioxyde de carbone solide qui se sublime à $-78{,}5\ \mathrm{^\circ C}$ . Malgré l'isolant, la glacière reçoit de l'air extérieur environ $1{,}5\times 10^{6}\ \mathrm{J}$ par jour.

Énergie massique de sublimation du dioxyde de carbone : $L_s=571\ \mathrm{kJ/kg}$ . Quelle masse minimale de glace carbonique faut-il prévoir ?

Étape 1

$\mathrm{CO_2(s)}\rightarrow\mathrm{CO_2(g)}$ : sublimation, endothermique. Le système, la glace carbonique, reçoit l'énergie qui entre dans la glacière.

Pourquoi

Nommer le système et le sens avant le calcul évite l'erreur de signe et rapporte le point de rédaction.

Étape 2

Énergie à absorber en $3$ jours : $Q=3\times 1{,}5\times 10^{6}=4{,}5\times 10^{6}\ \mathrm{J}$ .

Pourquoi

L'énergie est proportionnelle à la durée ici, comme elle l'est à la masse dans Q = m × L : on cumule avant de diviser.

Étape 3

$L_s=571\ \mathrm{kJ/kg}=5{,}71\times 10^{5}\ \mathrm{J/kg}$

Pourquoi

On met Q et L dans la même unité d'énergie ; sans cela, le résultat est faux d'un facteur 1 000.

Étape 4

$m=\dfrac{Q}{L_s}=\dfrac{4{,}5\times 10^{6}}{5{,}71\times 10^{5}}\approx 7{,}9\ \mathrm{kg}$

Pourquoi

On isole m dans Q = m × L : la masse de glace carbonique est celle qui, en se sublimant, absorbe exactement l'énergie entrée.

Étape 5

Vérification : $7{,}9\times 5{,}71\times 10^{5}\approx 4{,}5\times 10^{6}\ \mathrm{J}$ ; quelques kilogrammes pour quelques mégajoules, ordre de grandeur cohérent.

Pourquoi

Réinjecter la masse dans la relation attrape une division à l'envers en cinq secondes.

Conclusion rédigée

Il faut au moins $7{,}9\ \mathrm{kg}$ de glace carbonique ; en pratique on en prévoit davantage, car la glacière s'ouvre et l'isolant vieillit.

L'erreur classique sur cet exercice : Diviser $4{,}5\times 10^{6}\ \mathrm{J}$ par $571$ sans convertir : on trouve $7\,900\ \mathrm{kg}$ , une glacière de huit tonnes.

À savoir par cœur

• Fusion, vaporisation, sublimation : le corps REÇOIT de l'énergie, endothermiques.
• Solidification, liquéfaction, condensation : le corps CÈDE de l'énergie, exothermiques.
• Équation d'un changement d'état : même formule des deux côtés, états entre parenthèses, $\mathrm{H_2O(s)}\rightarrow\mathrm{H_2O(\ell)}$ .
• Fusion : une espèce change d'état. Dissolution : un soluté se disperse dans un solvant.
• $Q=m\times L$ , avec $m$ en kg et $L$ en J/kg : $Q$ est proportionnelle à la masse.
• Un corps pur change d'état à température CONSTANTE : c'est le palier.
• Le transfert thermique va du corps le plus chaud vers le plus froid ; le froid ne se transfère pas.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre une fusion et une dissolution ?

Une fusion concerne une seule espèce chimique, qui passe de l'état solide à l'état liquide quand on atteint sa température de fusion, comme la glace à zéro degré. Une dissolution concerne deux espèces : un soluté, comme le sel ou le sucre, se disperse dans un solvant, souvent l'eau, sans avoir besoin de chauffer. Le sucre se dissout dans le café, il ne fond pas.

Comment savoir si un changement d'état est endothermique ou exothermique ?

On regarde le sens du changement. Quand le corps va vers un état plus dispersé, du solide vers le liquide ou du liquide vers le gaz, il faut séparer les molécules : il reçoit de l'énergie, la transformation est endothermique. Dans le sens inverse, les molécules se rapprochent et le corps cède de l'énergie : elle est exothermique.

Comment écrire l'équation d'un changement d'état en Seconde ?

On écrit la même formule chimique des deux côtés de la flèche, et l'on précise l'état physique entre parenthèses : s pour solide, l pour liquide, g pour gaz. Pour la fusion de la glace, on écrit H2O(s) donne H2O(l). Si la formule change, ce n'est plus un changement d'état mais une réaction chimique.

Comment utiliser la formule Q = m × L ?

Q est l'énergie échangée en joules, m la masse qui change d'état, L l'énergie massique de changement d'état en joules par kilogramme. On convertit d'abord la masse en kilogrammes, puis on multiplie. Pour faire fondre 250 grammes de glace, on calcule 0,250 fois 334 000, soit 83 500 joules. L'énergie est proportionnelle à la masse.

Pourquoi la température ne change-t-elle pas pendant un changement d'état ?

Pendant le palier, l'énergie reçue ne sert pas à agiter davantage les molécules, ce qui ferait monter la température : elle sert à les séparer les unes des autres. Pour un corps pur, la température reste donc constante tant que les deux états coexistent, puis elle recommence à varier quand le changement d'état est terminé.

Passer à la pratique

Exercices corrigés : Transformation physique : changements d'état et énergie

Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.

10 exercices corrigés
100 points
150 minutes

Faire les exercices

Il manque quelque chose dans cette fiche ? Une méthode, un piège, un exercice pour l'appliquer, une erreur repérée : dis-le-moi, je lis chaque demande.

L'envoi passe par ton espace gratuit : c'est ce qui me permet de te répondre et de te prévenir quand l'exercice est ajouté. Un courriel suffit, pas de mot de passe. Crée ton espace. Pas envie de créer un compte ? Écris-moi directement.

Fiche précédente Molécules, mole et quantité de matière Fiche suivante Équations, avancement et réactif limitant

© Ahmed Squalli Houssaini. Fiche publiée sur www.letuteurscientifique.ca/fiches/2ndespc-transformations-physiques. Libre pour l'usage personnel et en classe ; sa republication ailleurs demande une autorisation écrite (mentions légales).

Voir aussi

Toutes les fiches Tous les exercices Tuteur Seconde Tuteur de chimie

Vous cherchez un tuteur de physique-chimie en Seconde à Montréal ?

Contactez-moi pour une première séance. Les échanges d'énergie reviennent en Première et en Terminale, avec les transformations chimiques et la thermodynamique : un élève qui sait dire qui donne l'énergie à qui en Seconde aborde ces chapitres sereinement.

Me contacter WhatsApp

Site par Studio Squalli