L'Eau dans Tous ses États : Glaçons, Eau Liquide et Vapeur
Solide, liquide, gazeux : l'eau se transforme !
L'eau est une substance incroyable que l'on trouve partout autour de nous. Elle peut exister sous trois formes principales : solide (la glace), liquide (l'eau que nous buvons) et gazeuse (la vapeur d'eau invisible dans l'air). Ces transformations, appelées changements d'état, se produisent lorsque l'on chauffe ou que l'on refroidit l'eau. Dans cet exercice, nous allons voir combien d'énergie il faut pour faire fondre de la glace et ensuite chauffer l'eau obtenue.
Mission : De la glace à l'eau chaude
Voici les informations dont nous disposons :
Les formules importantes sont :
Schéma : Les étapes de transformation de l'eau
La glace fond puis l'eau liquide est chauffée.
Questions à résoudre
- Quels sont les trois états principaux de l'eau ? Donne un exemple de chaque état dans la vie quotidienne.
- Comment s'appelle le changement d'état de solide (glace) à liquide ? Ce changement nécessite-t-il un apport ou une perte d'énergie (chaleur) ?
- Calcule l'énergie \(Q_f\) nécessaire pour faire fondre complètement les \(200 \text{ g}\) de glace à \(0 \text{ °C}\).
- Une fois la glace fondue, l'eau est toujours à \(0 \text{ °C}\). Amina veut la chauffer jusqu'à \(80 \text{ °C}\).
- Quelle est la variation de température \(\Delta T\) de l'eau ?
- Calcule l'énergie \(Q_c\) nécessaire pour chauffer les \(200 \text{ g}\) d'eau liquide de \(0 \text{ °C}\) à \(80 \text{ °C}\).
- Calcule l'énergie totale \(Q_{\text{totale}}\) qu'Amina doit fournir pour transformer ses \(200 \text{ g}\) de glace à \(0 \text{ °C}\) en eau chaude à \(80 \text{ °C}\).
- Si Amina utilisait une bouilloire électrique d'une puissance de \(1000 \text{ W}\) pour fournir cette énergie totale, combien de temps (en secondes) la bouilloire devrait-elle fonctionner ? (Rappel : \(E = P \times t\), donc \(t = E/P\)).
Correction : L'Eau dans Tous ses États
Question 1 : États de l'eau
Réponse :
Les trois états principaux de l'eau sont :
Question 2 : Changement d'état solide à liquide
Réponse :
Le changement d'état de solide (glace) à liquide s'appelle la fusion.
Ce changement nécessite un apport d'énergie (chaleur). Il faut chauffer la glace pour qu'elle fonde.
Question 3 : Énergie de fusion de la glace
Réponse :
L'énergie pour la fusion \(Q_f\) se calcule avec la formule \(Q_f = m \times L_f\).
Données : \(m = 200 \text{ g}\), \(L_f = 334 \text{ J/g}\)
L'énergie nécessaire pour faire fondre les \(200 \text{ g}\) de glace est de \(66\,800 \text{ Joules (J)}\).
Question 4 : Chauffage de l'eau liquide
Réponse a) Variation de température \(\Delta T\) :
La température initiale de l'eau liquide est \(T_{\text{initiale}} = 0 \text{ °C}\).
La température finale souhaitée est \(T_{\text{finale}} = 80 \text{ °C}\).
Réponse b) Énergie pour chauffer l'eau \(Q_c\) :
L'énergie pour chauffer \(Q_c\) se calcule avec la formule \(Q_c = m \times c_{\text{eau}} \times \Delta T\).
Données : \(m = 200 \text{ g}\), \(c_{\text{eau}} = 4,18 \text{ J/g°C}\), \(\Delta T = 80 \text{ °C}\)
L'énergie nécessaire pour chauffer l'eau de \(0 \text{ °C}\) à \(80 \text{ °C}\) est de \(66\,880 \text{ Joules (J)}\).
Quiz Intermédiaire 1 : Si Amina voulait chauffer l'eau jusqu'à \(100 \text{ °C}\) au lieu de \(80 \text{ °C}\), l'énergie \(Q_c\) nécessaire serait :
Question 5 : Énergie totale \(Q_{\text{totale}}\)
Réponse :
L'énergie totale est la somme de l'énergie de fusion et de l'énergie de chauffage :
L'énergie totale qu'Amina doit fournir est de \(133\,680 \text{ Joules (J)}\).
Question 6 : Temps de fonctionnement de la bouilloire
Réponse :
L'énergie à fournir est \(E = Q_{\text{totale}} = 133\,680 \text{ J}\).
La puissance de la bouilloire est \(P = 1000 \text{ W}\).
On utilise la formule \(t = \frac{E}{P}\).
La bouilloire devrait fonctionner pendant environ \(133,68 \text{ secondes}\).
(Cela fait \(2 \text{ minutes}\) et \(13,68 \text{ secondes}\), car \(120 \text{ s} = 2 \text{ min}\)).
Quiz Intermédiaire 2 : La température à laquelle l'eau pure bout (se transforme en vapeur) sous pression atmosphérique normale est :
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. Le passage de l'état liquide à l'état gazeux s'appelle :
2. Pendant un changement d'état (par exemple, la glace qui fond à \(0 \text{ °C}\)), si on continue d'apporter de la chaleur :
3. L'énergie nécessaire pour élever la température d'une substance dépend de :
Glossaire
- Changement d'état
- Passage d'une substance d'un état physique (solide, liquide, gaz) à un autre.
- Fusion
- Passage de l'état solide à l'état liquide. Pour l'eau, cela se produit à \(0 \text{ °C}\) (à pression normale).
- Solidification
- Passage de l'état liquide à l'état solide. Pour l'eau, cela se produit à \(0 \text{ °C}\) (à pression normale).
- Vaporisation
- Passage de l'état liquide à l'état gazeux. Peut se produire par ébullition (à \(100 \text{ °C}\) pour l'eau à pression normale) ou par évaporation (à la surface du liquide, à toute température).
- Condensation (ou Liquéfaction)
- Passage de l'état gazeux à l'état liquide.
- Sublimation
- Passage direct de l'état solide à l'état gazeux, sans passer par l'état liquide.
- Énergie (\(E\) ou \(Q\))
- Capacité à effectuer un travail ou à produire de la chaleur. Se mesure en Joules (J).
- Chaleur latente de fusion (\(L_f\))
- Quantité d'énergie nécessaire pour faire fondre \(1 \text{ gramme}\) (ou \(1 \text{ kg}\)) d'une substance solide à sa température de fusion, sans changer sa température.
- Capacité thermique massique (\(c\))
- Quantité d'énergie nécessaire pour élever la température de \(1 \text{ gramme}\) (ou \(1 \text{ kg}\)) d'une substance de \(1 \text{ °C}\) (ou \(1 \text{ Kelvin}\)).
- Joule (J)
- Unité de mesure de l'énergie.
- Watt (W)
- Unité de mesure de la puissance (\(1 \text{ W} = 1 \text{ J/s}\)).
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