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Exercices Physique Chimie

Changements d’État de l’Eau

Les Changements d’État de l’Eau

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

Amina veut préparer du thé. Elle prend des glaçons dans son congélateur et veut calculer l'énergie nécessaire pour les transformer en eau chaude.

Voici les informations dont nous disposons :

  • Amina utilise une masse \(m = 200 \text{ grammes (g)}\) de glace.
  • La glace sort du congélateur à une température de \(0 \text{ °C}\).
  • Pour faire fondre \(1 \text{ gramme}\) de glace à \(0 \text{ °C}\) en eau liquide à \(0 \text{ °C}\), il faut fournir une énergie appelée chaleur latente de fusion : \(L_f = 334 \text{ Joules par gramme (J/g)}\).
  • Une fois la glace fondue, Amina veut chauffer l'eau liquide de \(0 \text{ °C}\) jusqu'à \(80 \text{ °C}\) pour son thé.
  • Pour augmenter la température de \(1 \text{ gramme}\) d'eau liquide de \(1 \text{ °C}\), il faut fournir une énergie appelée capacité thermique massique de l'eau : \(c_{\text{eau}} = 4,18 \text{ Joules par gramme et par degré Celsius (J/g°C)}\).

Les formules importantes sont :

  • Énergie pour la fusion (faire fondre) : \(Q_f = m \times L_f\)
  • Énergie pour chauffer (sans changer d'état) : \(Q_c = m \times c \times \Delta T\), où \(\Delta T\) est la variation de température (température finale - température initiale).
Schéma : Les étapes de transformation de l'eau
Glace 0 °C Chaleur Qf (Fusion) Eau liquide 0 °C Chaleur Qc (Chauffage) Eau chaude 80 °C Transformations de l'eau avec apport de chaleur

La glace fond puis l'eau liquide est chauffée.


Questions à résoudre

  1. Quels sont les trois états principaux de l'eau ? Donne un exemple de chaque état dans la vie quotidienne.
  2. 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) ?
  3. Calcule l'énergie \(Q_f\) nécessaire pour faire fondre complètement les \(200 \text{ g}\) de glace à \(0 \text{ °C}\).
  4. Une fois la glace fondue, l'eau est toujours à \(0 \text{ °C}\). Amina veut la chauffer jusqu'à \(80 \text{ °C}\).
    1. Quelle est la variation de température \(\Delta T\) de l'eau ?
    2. Calcule l'énergie \(Q_c\) nécessaire pour chauffer les \(200 \text{ g}\) d'eau liquide de \(0 \text{ °C}\) à \(80 \text{ °C}\).
  5. 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 \(80 \text{ °C}\).
  6. 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 :

  • Solide : la glace (ex: glaçons, neige, givre).
  • Liquide : l'eau que l'on boit (ex: eau du robinet, pluie, rivières).
  • Gazeux : la vapeur d'eau (invisible, présente dans l'air, ou visible comme la buée ou les nuages qui sont des gouttelettes d'eau liquide condensée).

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 : \(m = 200 \text{ g}\), \(L_f = 334 \text{ J/g}\)

\[\begin{aligned} Q_f &= 200 \text{ g} \times 334 \text{ J/g} \\ &= 66\,800 \text{ J} \end{aligned}\]

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 \(T_{\text{finale}} = 80 \text{ °C}\).

\[\Delta T = T_{\text{finale}} - T_{\text{initiale}} = 80 \text{ °C} - 0 \text{ °C} = 80 \text{ °C}\]
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 : \(m = 200 \text{ g}\), \(c_{\text{eau}} = 4,18 \text{ J/g°C}\), \(\Delta T = 80 \text{ °C}\)

\[\begin{aligned} Q_c &= 200 \text{ g} \times 4,18 \text{ J/g°C} \times 80 \text{ °C} \\ &= 200 \times 4,18 \times 80 \text{ J} \\ &= 836 \times 80 \text{ J} \\ &= 66\,880 \text{ J} \end{aligned}\]

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 :

\[\begin{aligned} Q_{\text{totale}} &= Q_f + Q_c \\ &= 66\,800 \text{ J} + 66\,880 \text{ J} \\ &= 133\,680 \text{ J} \end{aligned}\]

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 \(t = \frac{E}{P}\).

\[\begin{aligned} t &= \frac{133\,680 \text{ J}}{1000 \text{ W}} \\ &= 133,68 \text{ s} \end{aligned}\]

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 (\(1 \text{ W} = 1 \text{ J/s}\)).
Les Changements d’État de l’Eau - Exercice d'Application

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