Chap. N° 06

Transformations

physiques

Exercices

Cours


Exercices :

D.S.

1)- Exercice 3 page 104 : Distinguer des transformations.

2)- Exercice 6 page 104 : Décrire des états physiques.

3)- Exercice 7 page 104 : Écrire une équation de changement d’état.

4)- Exercice 8 page 104 : Reconnaître l’équation d’une transformation.

5)- Exercice 10 page 105 : Comprendre l’effet d’une transformation.

6)- Exercice 11 page 105 : Calculer une énergie massique de fusion.

7)- Exercice 12 page 105 : Calculer une variation d’énergie.

8)- Exercice 14 page 105 : Garçon : un lait chaud.

9)- Exercice 23 page 108 : La fusion du fer.

1)- Exercice 3 page 104: Distinguer des transformations :

Énoncé

Distinguer des transformations:

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

Distinguer des transformations:

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.

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2)- Exercice6 page 104: Décrire des états physiques :

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:

t (min)

0

2

4

6

8

10

θ (° C)

16,0

11,5

6,5

6,5

6,0

1,5

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:

t (min)

0

2

4

6

8

10

θ (° C)

16,0

11,5

6,5

6,5

6,0

1,5

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.

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3)- Exercice 7 page 104: Écrire une équation de changement d’état :

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)

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4)- Exercice 8 page 104: Reconnaître l’équation d’une transformation:

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.

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5)- Exercice 10 page 105: Comprendre l’effet d’une transformation :

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.

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6)- Exercice 11 page 105: Calculer une énergie massique de fusion :

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 Lf de l’aluminium en kJ . kg–1.

Correction

Calculer une énergie massique de fusion :

- Énergie massique de fusion Lf de l’aluminium en kJ . kg–1.

- Q = 500 J et m = 1,36 g

- Fusion: passage de l’état solide à l’état liquide.

- Chaleur latente de changement d’état: Lf

- Relation: Q = m . Lf

- 

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7)- Exercice 12 page 105: Calculer une variation d’énergie:

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:

- Lv (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 . Lv (NH3)

- Q = 2,5 × 1,37 × 103

- Q ≈ 3,4 × 103 kJ . kg–1

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8)- Exercice 14 page 105: Garçon: un lait chaud:

Énoncé

Garçon: un lait chaud :

Au café, le serveur réchauffe 220 mL de lait en y injectant

de la vapeur d’eau à 120,0 ° C.

Le lait, initialement à 18 ° C, est réchauffé à 60,0 ° C.

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:

- ρlait = 1,00 kg . L–1

- Énergie massique de liquéfaction de l’eau

- 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

- ceau (g) = 1,89 kJ . kg–1 . ° C–1

- clait (ℓ) = ceau (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 . ceau (g) . Δθ

- Q1= m . ceau (g) . (100 – 120)

- Q1= – 20 m . ceau (g)

- Expression de Q2:

- Q2 = m . L

- Expression de Q3:

- Q3= m . ceau (ℓ) . Δθ

- Q3= m . ceau (ℓ) . (60 – 100)

- Q3= – 40 m . ceau (ℓ)

- On pose:

- Qeau = Q1 + Q2 + Q3

- Qeau = m . (– 20 ceau (g) + L – 40 ceau (ℓ))

- On suppose que les transferts thermiques se font

uniquement entre le lait et la vapeur d’eau:

- Énergie transférée au lait:

- Qlait= mlait . clait (ℓ) . Δθ

- Qlait= ρlait . Vlait . clait (ℓ) . (60 – 18)

- Qlait= 42 ρlait . Vlait . clait (ℓ)

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

- Qeau + Qlait = 0

- 42 ρlait . Vlait . clait (ℓ) = m . (20 ceau (g) – L + 40 ceau (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.

- Qlait= mlait . clait (ℓ) . Δθ

- Qlait= ρlait . Vlait . clait (ℓ) . (60 – 18)

- Qlait= 42 ρlait . Vlait . clait (ℓ)

- Qlait= 42 × 1,00 × 220 ×10–3 × 4,18

- Qlait≈ 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 . ceau (g) . Δθ

- Q1= m . ceau (g) . (100 – 120)

- Q1= – 20 m . ceau (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

- 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 . ceau (ℓ) . Δθ

- Q3= m . ceau (ℓ) . (60 – 100)

- Q3= – 40 m . ceau (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:

- Qeau + Qlait = 0

- Qlait = – Qeau

- 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

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9)- Exercice 23 page 108: La fusion du fer

Énoncé

La fusion du fer:

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

Celles-ci sont acheminées jusqu’à un four électrique pouvant

contenir jusqu’à 160 tonnes de ferrailles.

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

1- Transformation du fer:

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

b- Calculer l’énergie Q2 transférée 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.

- Données:

- θfus (fer) = 1535 ° C

- Énergie nécessaire pour que 160 de fer passent

de 20 ° C à 1535 ° C sans changement d’état:

- Q1 = 1,1 × 1011 J

- Énergie massique de fusion du fer:

- Lf = 270 kJ . kg–1.

- Conversion: 1 Wh = 3600 J.

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:

- Lf = 270 kJ . kg–1.

- Relation

- Q2 = m . Lf

- 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.

- Ef = Q1 + Q2

- Ef ≈ 1,1 × 1011 + 4,32 × 1010

- Ef ≈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:

- Eh = 43 × 103 × 3600

- Eh ≈ 1,5 × 108 J

-

- L’énergie que doit fournir le four électrique correspond

à environ 1000 jours de consommation électrique

d’une habitation.

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