Transformations Physiques et Energie

ACTIVITES

A1. Modéliser un changement d'état.

Dans la cuisine, ce sont des changements d'état qui permettent la cuisson et la conservation des aliments.

Quels sont les différents changements d'état rencontrés en cuisine ?

Doc1 : Le popcorn. La coque des grains de maïs renferme de l'eau. Sous l'effet de la chaleur, elle se vaporise et la pression augmente car la coque joue le rôle de couvercle. A 180°C, elle se fissure et le grain éclate.

Doc2 : Un verre d'eau glacée. Les glaçons placés dans un verre d'eau laissé sur la table en plein soleil, du jardin fondent lentement. Pendant cette étape, des gouttelettes d'eau apparaissent à la surface du verre. Petit à petit, au fil des jours, le verre se vide lentement.

Doc3 : Aliment lyophilisé. Le processus de lyophilisation consiste à éliminer l'eau des aliments. Il a lieu en deux étapes : Le processus de lyophilisation consiste à éliminer l'eau des aliments. Il a lieu en deux étapes : $\bullet$ La congélation et donc de l'eau qu'il contient. $\bullet$ La transformation de la glace en vapeur sous l'effet du vide partiel.   La lyophilisation permet de préserver le goût des aliments.

Doc 4 : Repas à la montagne. Après huit heures de marche en haute montagne, Gérard se ressource. Il choisit le hachis parmentier. Il a besoin d'eau bouillante pour rendre l'eau aux aliments et ainsi faire retrouver toute leur consistance aux différents composant de ce plat. Il s'aperçoit que l'eau bout plus "rapidement" qu'à la maison…

A11. Analyser.

$\bullet$ Nommer les différents changements d'état apparaissant dans les doc 1 et 2.

$\bullet$ Indiquer les transformations physiques de l'eau dans le processus de lyophilisation, entre les points A, B et C (doc3).

$\bullet$ Donner le nom d'un changement d'état qui n'apparaît pas dans les documents. Donner un exemple de la vie courante.

A12. Conclusion.

$\bullet$ Compléter le schéma ci-dessous en indiquant les types de changement d'état.

$\bullet$ Préciser la variation de température lors de chaque changement d'état.

$\bullet$ Décrire la situation décrite dans le doc4. et trouver une raison au phénomène observé.

A2. Changement d'état et énergie.

Un réfrigérateur permet de conserver les aliments plus longtemps en abaissant leur température.

Comment expliquer la basse température régnant à l'intérieur d'un réfrigérateur ?

A21. Analyse.

$\bullet$ Quel changement d'état du fluide frigorigène se produit dans l'évaporateur ?

$\bullet$ Préciser le sens du transfert thermique ayant lieu entre l'intérieur du réfrigérateur et le fluide dans l'évaporateur.

$\bullet$ Ce résultat est-il en accord avec le document 4 ?

$\bullet$ Quel changement d'état du fluide frigorigène se produit dans le condensateur ?

$\bullet$ Cette appellation couramment admise de condenseur est-elle correcte ? Proposer un autre nom au changement d'état concerné.

$\bullet$ Ce changement d'état est-il endothermique ou exothermique ?

A22. Synthèse.

$\bullet$ Expliquer comment les changements d'état du fluide frigorigène permettent d'abaisser la température à l'intérieur d'un réfrigérateur.

A3. Energie massique de l'eau.

La vaporisation de l'eau est une transformation endothermique.

Comment relier la masse d'eau vaporiser à la valeur du transfert thermique nécessaire à sa vaporisation ?

Doc 1: Montage expérimental. La distillation est généralement utilisée pour séparer deux liquides miscibles dont les températures d'ébullition sont différentes. Le montage de distillation peut aussi être utilisé pour estimer l'énergie massique de vaporisation d'un corps pur placé dans le ballon. Une fois la température d'ébullition de l'espèce chimique atteinte dans le ballon, celle-ci est vaporisée, puis passe dans le réfrigérant pour être refroidi et liquéfiée. Après quelques minutes d'ébullition, le rythme de distillation est régulier. Une éprouvette de volume remplaçant alors l'erlenmeyer permet de mesurer le volume de l'espèce chimique ayant été vaporisée pendant une durée donnée.

$\bullet$ Nommer les différents constituants du montage présents dans le doc 1.

$\bullet$ Mettre en œuvre le protocole décrit dans le doc 2.

$\bullet$ Rappeler la relation liant la masse, le volume et la masse volumique.

$\bullet$ En déduire la masse d'eau vaporisée.

$\bullet$ Calculer la valeur du transfert thermique $Q_{ \ ballon}$ fourni par le chauffe-ballon.

$\bullet$ Calculer la valeur de l'énergie massique de vaporisation de l'eau $L_{ \ exp}$.

$\bullet$ Comparer cette valeur à la valeur théorique $L_{ \ eau} \ = \ 2,3.10^{ \ 6} \ J.kg^{ \ -1}$.

$\bullet$ Identifier les éventuelles raisons de la différence observée.

Exercices : P115 à 121

8 ; 9 ; 10 ; 12 ; 13 ; 14 ; 16 ; 26 ; 28 ; 29 ; 31

COURS

C1. Changement d'état.

C11. Changement physique.

La matière existe sous trois états physiques : $\bullet$ Solide. $\bullet$ Liquide. $\bullet$ Gazeux.   La transformation physique d'un système correspond au passage d'un état à l'autre.. Lors d'un changement d'état, les espèces chimiques concernées sont conservées. Pour un système fermé, les quantités se conservent.

C12. Modélisation microscopique.

L'état gazeux est dispersé. Les états liquide et solide sont condensés : les distances entre les entités sont de l'ordre de grandeur des dimensions des entités..   Pour un corps pur, le changement d'état s'effectue à température constante. Pendant ce changement, les espèces coexistent sous leurs deux formes.   Cette propriété est particulière aux corps purs, elle permet de la caractériser. Les températures de changement d'état sont propres au corps pur étudié.

C13. Ecriture symbolique.

$\bullet$ Le changement d'état d'un corps pur est symbolisé de la même façon qu'une réaction chimique.

$\bullet$ L'état physique est indiqué en indice par une lettre entre parenthèses.

Exemples :

$\bullet$ Fusion de l'eau : $H_2O_{(s)} \ \longrightarrow \ H_2O_{l}$

$\bullet$ Vaporisation du diazote : $N_{2,(s)} \ \longrightarrow \ N_{2,(g)}$

$\bullet$ Solidification du sulfate de cuivre : $CuSO_{4,(l)} \ \longrightarrow \ CuSO_{4,(l)}$

C14. Différence entre fusion et dissolution.

$\bullet$ Lors d'une fusion, il y a transformation du système de l'état solide à l'état liquide. C'est un changement d'état.

$\bullet$ Lors d'une dissolution, l'espèce considérée est toujours conservée, mais elle nécessite l'intervention d'une autre espèce.

$\bullet$ Dans une équation de dissolution en milieu aqueux, l'espèce dissoute est suivie de (aq) (pour "aqueux").

Exemples :

	Modélisation :
Fusion du fer : $Fe_{s)} \ \longrightarrow \ Fe_{l)}$
Dissolution du saccharose : : $C_{12}H_{22}O_{11,(s)} \ \longrightarrow \ C_{12}H_{22}O_{11,(aq)}$

C2. Changement d'état et énergie.

C21. Transformations endothermique et exothermique.

$\bullet$ Un changement d'état d'un système (à température constante) est endothermique si le système reçoit de l'énergie par transfert thermique.

$\bullet$ Un changement d'état d'un système (à température constante) est exothermique si le système cède de l'énergie par transfert thermique.

C22. Energie massique de changement d'état.

L'énergie Q échangée par transfert thermique lors d'un changement d'état est proportionnelle à la masse m du système et à la grandeur L, énergie massique propre au type de changement (fusion, vaporisation…).

$Q \ = \ m \ \times \ L$

Q : énergie en joule (J)

m : masse en kilogramme (kg)

L : énergie massique de changement d'état ($J.kg^{ \ -1}$)

NB :

L'énergie massique reçue par un système lors d'un changement de l'état 1 vers l'état 2 est égale à l'énergie massique lors du changementde l'état 2 vers l'état 1

$\bullet \ L_{\ fusion} \ =  \ - \ L_{\ solidification}$

$\bullet \ L_{\ vaporisation} \ =  \ - \ L_{\ liquéfaction}$

$\bullet \ L_{\ condensation} \ = \ - \ L_{\ sublimation}$