Lycée – Terminale technologique – Sciences physiques et chimiques en laboratoire (STL) – Problèmes sur les changements d’états avec un bilan d’énergie

Calculer l’énergie nécessaire pour un changement d’état (fusion ou vaporisation) en utilisant les formules appropriées.

Déterminez l’énergie nécessaire pour faire fondre 500 g de glace à 0°C en eau à 0°C, puis pour vaporiser cette eau à 100°C. Donnez les réponses en joules (J).

• Données :
  • Masse de glace (m) = 500 g = 0,5 kg
  • Enthalpie massique de fusion (ΔH_fusion) = 334 kJ/kg
  • Enthalpie massique de vaporisation (ΔH_vaporisation) = 2260 kJ/kg
  • Calculer :
    1. Énergie pour la fusion (Q_fusion = m × ΔH_fusion)
    2. Énergie pour la vaporisation (Q_vaporisation = m × ΔH_vaporisation)
    3. Énergie totale (Q_total = Q_fusion + Q_vaporisation)

Calculatrice

10 minutes

1. Q_fusion = 0,5 kg × 334 kJ/kg = 167 kJ
2. Q_vaporisation = 0,5 kg × 2260 kJ/kg = 1130 kJ
3. Q_total = 167 kJ + 1130 kJ = 1297 kJ

• Remédiation : Fournir un exemple similaire avec des valeurs plus simples (ex : 1 kg de glace).
• Approfondissement : Demander de calculer l’énergie nécessaire pour un changement d’état inverse (solidification ou condensation).

Interpréter un diagramme de phases pour déterminer les changements d’état en fonction de la température et de la pression.

À partir du diagramme de phases de l’eau (non fourni), décrivez les changements d’état qui se produisent lors d’un cycle suivant :

1. Augmentation de la température à pression constante (1 atm) de -10°C à 120°C.
2. Augmentation de la pression à température constante (100°C) de 1 atm à 20 atm.

• Répondez aux questions suivantes :
  1. Quels sont les changements d’état observés dans le premier cas ?
  2. Quels sont les changements d’état observés dans le second cas ?
  3. Expliquez pourquoi la pression influence le point de fusion et d’ébullition.

Aucun

15 minutes

1. Premier cas :
   • Fusion de la glace à 0°C (passage solide → liquide).
   • Vaporisation de l’eau à 100°C (passage liquide → gaz).
2. Second cas :
   • À 100°C et 1 atm, l’eau est liquide.
   • En augmentant la pression, l’eau reste liquide (pas de changement d’état).
3. La pression influence le point de fusion et d’ébullition car elle modifie les forces intermoléculaires et la stabilité des phases.

• Remédiation : Fournir un schéma simplifié du diagramme de phases.
• Approfondissement : Demander de calculer les nouvelles températures de fusion et d’ébullition pour une pression donnée.

Mettre en œuvre un protocole expérimental pour étudier un changement d’état et en déduire un bilan énergétique.

Vous disposez d’un calorimètre contenant 200 mL d’eau à 20°C. Vous ajoutez 50 g de glace à 0°C. Mesurez la température finale de l’ensemble et calculez l’énergie échangée.

• Protocole :
  1. Mesurer la masse d’eau (m_eau = 200 g = 0,2 kg).
  2. Mesurer la masse de glace (m_glace = 50 g = 0,05 kg).
  3. Ajouter la glace à l’eau et mesurer la température finale (T_final).
  4. Calculer l’énergie échangée (Q = m × c × ΔT, avec c = 4,18 kJ/kg·K pour l’eau).
• Questions :
  1. Quelle est la température finale ?
  2. Calculez l’énergie nécessaire pour fondre la glace.
  3. Calculez l’énergie cédée par l’eau.
  4. Vérifiez la conservation de l’énergie (Q_fusion = Q_eau).

Calorimètre, thermomètre, balance, glace, eau

20 minutes

1. Température finale (T_final) ≈ 10°C (valeur expérimentale).
2. Énergie pour fondre la glace (Q_fusion = m_glace × ΔH_fusion = 0,05 kg × 334 kJ/kg = 16,7 kJ).
3. Énergie cédée par l’eau (Q_eau = m_eau × c × ΔT = 0,2 kg × 4,18 kJ/kg·K × (20°C – 10°C) = 16,72 kJ).
4. Conservation de l’énergie : Q_fusion ≈ Q_eau (16,7 kJ ≈ 16,72 kJ).

• Remédiation : Fournir un exemple de calcul étape par étape.
• Approfondissement : Étudier l’influence de la masse de glace sur la température finale.