L'Expérience Glaçon-Vapeur : Suivi et Calculs des Transformations
De la glace qui fond, de l'eau qui bout... Observons et calculons !
L'eau est une substance fascinante qui peut exister sous trois états : solide (glace), liquide (eau) et gazeux (vapeur d'eau). Le passage d'un état à un autre, appelé changement d'état, est un phénomène physique important qui s'accompagne souvent d'un apport ou d'un retrait de chaleur. Dans cet exercice, nous allons suivre l'évolution de la température d'un glaçon que l'on chauffe jusqu'à ce qu'il se transforme en vapeur, et nous ferons quelques calculs simples liés à ce processus. 🌡️🔥💧
L'Expérience de Chauffage de l'Eau
| Temps (minutes) | Température (°C) | État(s) de l'eau observé(s) |
|---|---|---|
| 0 | -20 | Solide (glace) |
| 2 | -10 | Solide (glace) |
| 4 | 0 | Solide (glace) |
| 6 | 0 | Solide + Liquide (fusion) |
| 8 | 0 | Solide + Liquide (fusion) |
| 10 | 0 | Liquide |
| 12 | 25 | Liquide |
| 14 | 50 | Liquide |
| 16 | 75 | Liquide |
| 18 | 100 | Liquide |
| 20 | 100 | Liquide + Gaz (vaporisation) |
| 22 | 100 | Liquide + Gaz (vaporisation) |
| 24 | 100 | Gaz (vapeur) |
| 26 | 110 | Gaz (vapeur) |
Schéma du Dispositif de Chauffage (Simplifié)
Dispositif expérimental pour chauffer la glace.
Questions à traiter
- Quels sont les trois états de la matière observés dans cette expérience ? À quelles plages de température approximatives correspondent-ils pour l'eau dans cette expérience ?
- La fusion est le passage de l'état solide à l'état liquide.
- D'après le tableau, à quelle température la fusion de la glace commence-t-elle ?
- Pendant combien de temps la fusion dure-t-elle (le temps pendant lequel on observe à la fois du solide et du liquide à \(0 \text{ °C}\)) ?
- La vaporisation (ici, l'ébullition) est le passage de l'état liquide à l'état gazeux.
- D'après le tableau, à quelle température l'ébullition de l'eau commence-t-elle ?
- Pendant combien de temps l'ébullition dure-t-elle (le temps pendant lequel on observe à la fois du liquide et du gaz à \(100 \text{ °C}\)) ?
- Conservation de la masse :
- La masse du glaçon initial est de \(100 \text{ g}\). Quelle est la masse de l'eau liquide obtenue juste après la fusion complète de toute la glace ?
- Si on suppose que toute la vapeur d'eau produite est récupérée sans perte, quelle serait la masse totale de vapeur d'eau obtenue à la fin de l'expérience (quand toute l'eau liquide s'est vaporisée) ?
- Que se passe-t-il au niveau des particules (molécules d'eau) lors de la fusion ? Et lors de la vaporisation ? (Décris brièvement en termes d'agitation et de liaisons).
Correction : L'Expérience Glaçon-Vapeur
Question 1 : États de la matière observés
Réponse :
Les trois états de la matière observés sont :
- Solide (glace) : Observé de \(-20 \text{ °C}\) jusqu'à \(0 \text{ °C}\) (avant que toute la glace ne soit fondue).
- Liquide (eau) : Observé à partir de \(0 \text{ °C}\) (après la fusion) jusqu'à \(100 \text{ °C}\) (avant que toute l'eau ne soit vaporisée). On a aussi un mélange solide + liquide à \(0 \text{ °C}\) pendant la fusion.
- Gazeux (vapeur d'eau) : Observé à partir de \(100 \text{ °C}\) (après la vaporisation). On a aussi un mélange liquide + gaz à \(100 \text{ °C}\) pendant la vaporisation.
Question 2 : Fusion de la glace
Réponse a) Température de début de fusion :
D'après le tableau, la glace commence à fondre (apparition de liquide tout en ayant encore du solide) à \(0 \text{ °C}\).
Réponse b) Durée de la fusion :
La phase où l'on observe à la fois du solide et du liquide à \(0 \text{ °C}\) (palier de fusion) commence à la minute 4 (début de la présence de liquide à 0°C) et se termine à la minute 10 (plus de solide, que du liquide à 0°C).
Note : L'énoncé pourrait être interprété que la fusion commence à t=4min et que l'eau est entièrement liquide à t=10min. La phase solide+liquide est observée à t=6min et t=8min. Si on considère que la fusion commence dès que la température atteint 0°C et qu'il y a apport de chaleur, et se termine quand toute la glace a fondu, alors la durée est bien de \(10 - 4 = 6\) minutes.
La fusion dure \(6\) minutes.
Question 3 : Vaporisation (Ébullition) de l'eau
Réponse a) Température de début d'ébullition :
D'après le tableau, l'eau liquide commence à bouillir (apparition de gaz tout en ayant encore du liquide) à \(100 \text{ °C}\).
Réponse b) Durée de l'ébullition :
La phase où l'on observe à la fois du liquide et du gaz à \(100 \text{ °C}\) (palier de vaporisation) commence à la minute 18 (début de la présence de gaz à 100°C) et se termine à la minute 24 (plus de liquide, que du gaz à 100°C).
L'ébullition dure \(6\) minutes.
Quiz Intermédiaire 1 : Pendant un changement d'état d'un corps pur, si on continue de chauffer, sa température :
Question 4 : Conservation de la masse
Réponse a) Masse de l'eau liquide après fusion :
Lors d'un changement d'état, la masse de la substance se conserve. La quantité de matière ne change pas.
Si la masse du glaçon initial est de \(100 \text{ g}\), la masse de l'eau liquide obtenue après la fusion complète sera également de \(100 \text{ g}\).
Réponse b) Masse de la vapeur d'eau :
De même, si les \(100 \text{ g}\) d'eau liquide sont ensuite complètement transformés en vapeur d'eau (et que la vapeur est récupérée), la masse de la vapeur d'eau obtenue sera toujours de \(100 \text{ g}\).
Question 5 : Changements au niveau des particules
Réponse :
Lors de la fusion (solide \(\Rightarrow\) liquide) :
- À l'état solide (glace), les molécules d'eau sont fortement liées les unes aux autres et organisées de manière ordonnée (elles vibrent sur place).
- En chauffant, l'énergie apportée permet aux molécules de s'agiter davantage. À \(0 \text{ °C}\), l'énergie est suffisante pour rompre une partie des liaisons fortes entre les molécules.
- Les molécules peuvent alors glisser les unes sur les autres : la substance devient liquide. Elles sont toujours proches mais moins ordonnées et plus mobiles.
Lors de la vaporisation (liquide \(\Rightarrow\) gaz) :
- À l'état liquide, les molécules d'eau sont encore en contact et ont des liaisons plus faibles qu'à l'état solide, mais elles peuvent se déplacer.
- En continuant de chauffer, l'énergie apportée augmente encore l'agitation des molécules. À \(100 \text{ °C}\), l'énergie est suffisante pour rompre la plupart des liaisons restantes entre les molécules.
- Les molécules deviennent alors très agitées, très espacées les unes des autres et se déplacent librement dans toutes les directions : la substance devient un gaz (vapeur d'eau).
Quiz Intermédiaire 2 : À l'état gazeux, les particules sont :
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. Le passage direct de l'état solide à l'état gazeux s'appelle :
2. Si \(30 \text{ g}\) d'eau liquide gèlent, la masse de glace obtenue est :
3. Pendant l'ébullition de l'eau pure, sa température :
Glossaire des Transformations de l'Eau
- État Solide
- État où la matière a une forme et un volume propres (ex: glace).
- État Liquide
- État où la matière a un volume propre mais prend la forme de son contenant (ex: eau).
- État Gazeux
- État où la matière n'a ni forme ni volume propres et occupe tout l'espace disponible (ex: vapeur d'eau).
- Changement d'État
- Passage d'un état physique à un autre.
- Fusion
- Passage de l'état solide à l'état liquide (ex: glace fondant en eau).
- Solidification
- Passage de l'état liquide à l'état solide (ex: eau gelant en glace).
- Vaporisation
- Passage de l'état liquide à l'état gazeux. Comprend l'ébullition et l'évaporation.
- Ébullition
- Vaporisation rapide qui se produit dans tout le volume du liquide à une température fixe (température d'ébullition).
- Évaporation
- Vaporisation lente qui se produit à la surface d'un liquide, à toute température.
- Liquéfaction (ou Condensation)
- Passage de l'état gazeux à l'état liquide (ex: formation de buée).
- Sublimation
- Passage direct de l'état solide à l'état gazeux, sans passer par l'état liquide.
- Condensation Solide (ou Déposition)
- Passage direct de l'état gazeux à l'état solide (ex: formation de givre).
- Température de Fusion
- Température à laquelle un solide passe à l'état liquide (pour l'eau pure : \(0 \text{ °C}\) à pression normale).
- Température d'Ébullition
- Température à laquelle un liquide passe à l'état gazeux dans toute sa masse (pour l'eau pure : \(100 \text{ °C}\) à pression normale).
- Palier de Température
- Phase durant un changement d'état d'un corps pur où la température reste constante malgré l'apport ou le retrait de chaleur.
- Conservation de la Masse
- Principe selon lequel la masse totale d'un système fermé reste constante au cours d'un changement d'état ou d'une transformation chimique.
D’autres exercices de chimie 4 ème:
0 commentaires