Q = m × L H₂O(ℓ) → H₂O(g)
Seconde · Chapitre 10 · 10 exercices corrigés

Exercices — Transformations physiques

Du vocabulaire des changements d'état jusqu'aux vergers protégés du gel. Cherche d'abord seul : les corrections sont masquées et détaillent chaque étape.

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Données utiles pour tous les exercices

Eau : \(L_{\text{fusion}} = 3{,}34\times10^{5}\ \text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\) ; \(L_{\text{vaporisation}} = 2{,}26\times10^{6}\ \text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\) (à 100 °C). Masse volumique : eau liquide \(1{,}00\ \text{kg}\cdot\text{L}^{-1}\), glace \(0{,}917\ \text{kg}\cdot\text{L}^{-1}\).

Rédige ta réponse avant d'ouvrir la correction, puis compare ta démarche étape par étape.

0Premiers pas : trois exercices guidés

Pour démarrer en douceur : chaque exercice est découpé en petites étapes. Si tu bloques sur les exercices suivants, reviens ici.

Premier pas 1 — Nommer les changements d'état Guidé☆

Nomme : glace → eau liquide ; eau liquide → vapeur ; vapeur → eau liquide ; eau liquide → glace.

  1. Solide → liquide, liquide → gaz, gaz → liquide, liquide → solide.
  2. Quatre noms : fusion, vaporisation, liquéfaction, solidification.
Correction
Réponse
Fusion ; vaporisation ; liquéfaction ; solidification.
Premier pas 2 — Énergie pour fondre de la glace Guidé☆

Calcule l'énergie nécessaire pour faire fondre \(200\ \text{g}\) de glace (\(L_f = 3{,}3\times10^{5}\ \text{J/kg}\)).

  1. Convertis la masse en kg.
  2. Écris \(Q = m \times L_f\) et calcule.
Correction
Réponse
\(Q = 0{,}200 \times 3{,}3\times10^{5} = 6{,}6\times10^{4}\ \text{J}\).
Premier pas 3 — Lire un palier Guidé☆

Pendant la solidification d'un liquide, la température reste égale à 80 °C pendant 3 min. Que peut-on en déduire ?

  1. Un palier de température pendant un changement d'état est caractéristique de quel type de système ?
  2. La valeur du palier est une grandeur caractéristique.
Correction
Réponse
C'est un corps pur, dont la température de solidification est 80 °C (par exemple le naphtalène).
Exercice 1 — Nommer les changements d'état Connaissances★★★★★

Nommer le changement d'état dans chaque situation.

  1. Le beurre fond dans la poêle.
  2. Des gouttes apparaissent sur une canette sortie du réfrigérateur.
  3. Le linge sèche sur le fil.
  4. Du givre se forme sur un pare-brise par une nuit froide.
  5. La lave d'un volcan refroidit et devient roche.
  6. Les glaçons de neige carbonique « fument » sans laisser de liquide.
Correction
Réponses

1. Fusion (solide → liquide). 2. Liquéfaction de la vapeur d'eau de l'air (gaz → liquide). 3. Vaporisation, sous forme d'évaporation (liquide → gaz). 4. Condensation de la vapeur d'eau (gaz → solide). 5. Solidification (liquide → solide). 6. Sublimation du dioxyde de carbone (solide → gaz).

Erreur à éviter
Situation 2 : dire « condensation ». Gaz → liquide se nomme liquéfaction ; la condensation est le passage gaz → solide.
Exercice 2 — Écritures symboliques Application directe★★★★★
  1. Écrire l'équation de la vaporisation de l'eau, de la solidification de l'éthanol \(\text{C}_2\text{H}_6\text{O}\) et de la sublimation du diiode \(\text{I}_2\).
  2. Nommer le changement d'état : \(\text{CO}_2(\text{g}) \rightarrow \text{CO}_2(\text{s})\).
Correction
Méthode
Formule de l'espèce + état initial → même formule + état final. La formule ne change pas : c'est une transformation physique.
Réponses
\(\text{H}_2\text{O}(\ell) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(\text{g})\) \(\text{C}_2\text{H}_6\text{O}(\ell) \rightarrow \text{C}_2\text{H}_6\text{O}(\text{s})\) \(\text{I}_2(\text{s}) \rightarrow \text{I}_2(\text{g})\)

2. Gaz → solide : condensation (formation de neige carbonique).

Erreur à éviter
Changer la formule (écrire par exemple \(\text{H}_2 + \text{O}\)) : dans un changement d'état, les molécules restent intactes.
Exercice 3 — La bouteille oubliée au congélateur Modèle · masse et volume★★★★★

Une bouteille en verre fermée, remplie de 1,00 L d'eau, est oubliée au congélateur. Le lendemain, elle est fendue.

  1. Quelle est la masse de glace obtenue ? Justifier.
  2. Calculer le volume de cette glace.
  3. Expliquer pourquoi la bouteille s'est fendue.
Questions 1 et 2
Raisonnement
Lors d'un changement d'état, la masse se conserve : \(m = 1{,}00\ \text{L} \times 1{,}00\ \text{kg}\cdot\text{L}^{-1} = 1{,}00\ \text{kg}\) de glace.
Relation
\(V = \dfrac{m}{\rho}\)
Calculs
\(V = \dfrac{1{,}00}{0{,}917} = 1{,}09\ \text{L}\)
Résultat
\(m = 1{,}00\ \text{kg}\) et \(V \approx 1{,}09\ \text{L}\)
Question 3
Interprétation
En gelant, l'eau augmente de volume d'environ 9 % : il faudrait 1,09 L de place, la bouteille fermée n'en offre que 1,00 L. La glace pousse sur le verre et le fend. L'eau est une exception : la plupart des espèces ont un volume plus petit à l'état solide.
Erreur à éviter
Dire que la masse augmente en gelant : c'est le volume qui augmente, la masse reste la même.
Exercice 4 — Faire fondre de la glace Calcul de Q★★★★★

On fait fondre 250 g de glace à 0 °C.

  1. La fusion est-elle endothermique ou exothermique ?
  2. Calculer l'énergie nécessaire.
  3. Quelle énergie la même eau liquide libère-t-elle en regelant ?
Correction
Comprendre
La fusion est endothermique : la glace doit recevoir de l'énergie.
Conversions
\(m = 250\ \text{g} = 0{,}250\ \text{kg}\)
Calculs
\(Q = m \times L_{\text{fusion}}\)\(Q = 0{,}250 \times 3{,}34\times10^{5} = 8{,}35\times10^{4}\ \text{J}\)
Résultat
\(Q \approx 8{,}35\times10^{4}\ \text{J} = 83{,}5\ \text{kJ}\) reçus. En regelant (solidification, exothermique), l'eau cède exactement la même énergie : 83,5 kJ.
Erreur à éviter
Utiliser \(L_{\text{vaporisation}}\) au lieu de \(L_{\text{fusion}}\) : on trouverait une énergie près de 7 fois trop grande.
Exercice 5 — La casserole oubliée Énergie et durée★★★★★

Une casserole contenant 1,5 L d'eau bouillante est oubliée sur une plaque. On suppose que la plaque fournit à l'eau une puissance de 1 500 W, c'est-à-dire 1 500 J chaque seconde.

  1. Pendant l'ébullition, que vaut la température de l'eau ? Où va l'énergie fournie ?
  2. Calculer l'énergie nécessaire pour vaporiser toute l'eau.
  3. En déduire la durée au bout de laquelle la casserole est sèche.
Question 1
Réponse
Elle reste à 100 °C (palier) : toute l'énergie reçue sert à vaporiser l'eau, pas à la chauffer.
Questions 2 et 3
Données
\(m = 1{,}5\ \text{L} \times 1{,}00\ \text{kg}\cdot\text{L}^{-1} = 1{,}5\ \text{kg}\)
Calculs
\(Q = 1{,}5 \times 2{,}26\times10^{6} = 3{,}4\times10^{6}\ \text{J}\) \(\Delta t = \dfrac{3{,}39\times10^{6}}{1\,500} = 2{,}3\times10^{3}\ \text{s}\)
Résultat
\(\Delta t \approx 2{,}3\times10^{3}\ \text{s}\), soit environ 38 minutes.
Interprétation
C'est une durée minimale : en réalité, une partie de l'énergie de la plaque chauffe l'air et la casserole, l'eau met donc un peu plus longtemps à s'évaporer.
Erreur à éviter
Oublier que 1 W = 1 J par seconde : la durée s'obtient en divisant l'énergie (J) par la puissance (W).
Exercice 6 — Identifier un solide blanc Exploiter un palier★★★★★

Au laboratoire, deux flacons de poudre blanche ont perdu leur étiquette. On chauffe un échantillon de chacun, puis on relève sa température pendant le refroidissement.

  • Échantillon A : la température descend, reste à 80,1 °C pendant 4 minutes, puis redescend.
  • Échantillon B : la température descend régulièrement de 70 °C à 40 °C, sans palier ; le solide apparaît progressivement entre 58 °C et 50 °C.
EspèceNaphtalèneAcide stéariqueAcide palmitiqueAcide benzoïque
Température de fusion (°C)806963122
  1. Que se passe-t-il pendant le palier de l'échantillon A ? Identifier l'espèce A.
  2. Que peut-on dire de l'échantillon B ?
Correction
Raisonnement
Pendant le palier, l'espèce se solidifie : la température reste constante, ce qui caractérise un corps pur. La température du palier est sa température de solidification, égale à sa température de fusion.
Réponses

1. 80,1 °C correspond à la température de fusion du naphtalène (80 °C).

2. Pas de palier : B n'est pas un corps pur, c'est un mélange (par exemple une paraffine, ou un mélange de plusieurs acides). On ne peut pas l'identifier avec ce tableau.

Erreur à éviter
Prendre une valeur de la partie descendante de la courbe : seule la température du palier est caractéristique.
Exercice 7 — Le cycliste qui transpire Énergie · corps humain★★★★★

Pendant une sortie de 2 h en été, un cycliste perd 1,2 kg de sueur, qui s'évapore entièrement sur sa peau. À la température de la peau, l'énergie massique de vaporisation de l'eau vaut \(2{,}42\times10^{6}\ \text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\).

  1. L'évaporation de la sueur est-elle endothermique ou exothermique ? Qui fournit l'énergie ?
  2. Calculer l'énergie évacuée par la transpiration pendant la sortie.
  3. En déduire la puissance moyenne évacuée (en W, c'est-à-dire en J par seconde).
Question 1
Réponse
Endothermique : la sueur reçoit de l'énergie de la peau, qui se refroidit. C'est le mécanisme principal de refroidissement du corps pendant l'effort.
Questions 2 et 3
Conversions
\(\Delta t = 2\ \text{h} = 2 \times 3\,600 = 7\,200\ \text{s}\)
Calculs
\(Q = 1{,}2 \times 2{,}42\times10^{6} = 2{,}9\times10^{6}\ \text{J}\) \(P = \dfrac{2{,}9\times10^{6}}{7\,200} = 4{,}0\times10^{2}\ \text{W}\)
Résultat
\(Q \approx 2{,}9\times10^{6}\ \text{J}\) et \(P \approx 400\ \text{W}\)
Interprétation
Le cycliste évacue en moyenne 400 J chaque seconde, autant qu'un petit radiateur électrique. Sans transpiration, sa température monterait dangereusement. D'où l'importance de boire pour remplacer l'eau perdue.
Erreur à éviter
Diviser par 2 (heures) au lieu de 7 200 (secondes) : la puissance en watts correspond à des joules par seconde.
Exercice 8 — Les quatre erreurs de Hugo Esprit critique★★★★★

Hugo a rédigé ces phrases dans son compte rendu. Corriger chacune.

  1. « Le glaçon refroidit la boisson car il lui donne du froid. »
  2. « Pendant l'ébullition, je chauffe toujours, donc la température de l'eau pure continue de monter. »
  3. « La vaporisation de l'eau est une transformation chimique, car l'eau disparaît. »
  4. « Pour faire fondre 500 g de glace, il faut \(Q = 500 \times 3{,}34\times10^{5} = 1{,}67\times10^{8}\ \text{J}\). »
Correction
Réponses

1. Le « froid » n'est pas une grandeur qui se transfère. Le glaçon reçoit de l'énergie de la boisson pour fondre (fusion endothermique) : la boisson perd de l'énergie et se refroidit.

2. Pour un corps pur, la température reste constante pendant l'ébullition (palier à 100 °C) : l'énergie reçue sert à vaporiser l'eau.

3. C'est une transformation physique : les molécules \(\text{H}_2\text{O}\) ne sont pas détruites, elles passent dans l'air sous forme de vapeur, invisible.

4. La masse doit être en kg : \(Q = 0{,}500 \times 3{,}34\times10^{5} = 1{,}67\times10^{5}\ \text{J}\), 1 000 fois moins.

Erreur à éviter
Confondre « on ne voit plus l'eau » et « l'eau a disparu ». La vapeur d'eau est un gaz incolore ; ce qu'on appelle « vapeur » au-dessus d'une casserole est en fait de fines gouttelettes déjà liquéfiées.
Exercice 9 — Arroser pour protéger du gel Synthèse★★★★★

Au printemps, quand une gelée nocturne menace, certains arboriculteurs arrosent leurs arbres en fleurs en continu pendant toute la nuit. Les bourgeons se retrouvent pris dans une gangue de glace… mais ils survivent : les fleurs gèlent vers −2 °C.

  1. Quel changement d'état subit l'eau d'arrosage sur les bourgeons ? Écrire son équation. Est-il endothermique ou exothermique ?
  2. Calculer l'énergie libérée quand 1,0 kg d'eau gèle.
  3. Tant que de l'eau liquide gèle sur le bourgeon, quelle est la température du mélange eau-glace ? Expliquer pourquoi il faut arroser en continu.
Question 1
Réponse
Solidification : \(\text{H}_2\text{O}(\ell) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(\text{s})\), transformation exothermique : l'eau cède de l'énergie au bourgeon et à l'air.
Question 2
Calculs
\(Q = 1{,}0 \times 3{,}34\times10^{5} = 3{,}3\times10^{5}\ \text{J}\)
Résultat
\(Q \approx 3{,}3\times10^{5}\ \text{J}\) libérés par kilogramme d'eau qui gèle.
Question 3
Interprétation
Tant que de l'eau liquide est en train de geler, le mélange eau-glace reste au palier de 0 °C : l'énergie libérée par la solidification compense celle que l'air froid prend au bourgeon. Le bourgeon ne descend donc pas à −2 °C. Si l'on arrête d'arroser, toute l'eau finit par geler, le palier s'arrête et la température chute : il faut donc apporter sans cesse de l'eau liquide jusqu'au lever du soleil.
Erreur à éviter
Penser que la glace « isole du froid » comme une couverture : c'est surtout l'énergie libérée par la solidification qui protège.
Exercice 10 — Glaçons ou pierres à whisky ? Problème · modélisation★★★★★

Des « pierres à rafraîchir », gardées au congélateur, sont vendues pour refroidir une boisson sans la diluer. On compare 100 g de pierres et 100 g de glaçons, sortis du congélateur à −18 °C, plongés dans une boisson. On admet que pierres et glaçons finissent à 5 °C.

Énergie pour réchauffer 1 kg de 1 °C : pierre (stéatite) 980 J ; glace 2 100 J ; eau liquide 4 180 J.
  1. Calculer l'énergie que les pierres prélèvent à la boisson en passant de −18 °C à 5 °C.
  2. Pour les glaçons, il y a trois étapes : réchauffement de la glace de −18 °C à 0 °C, fusion, réchauffement de l'eau de 0 °C à 5 °C. Calculer l'énergie de chaque étape et l'énergie totale.
  3. Comparer. Quelle étape apporte l'essentiel du refroidissement ? Les pierres tiennent-elles leur promesse ?
Question 1
Raisonnement
Écart de température : \(5 - (-18) = 23\ ^{\circ}\text{C}\). Il faut 980 J par kg et par °C.
Calculs
\(Q_{\text{pierres}} = 0{,}100 \times 980 \times 23 = 2{,}25\times10^{3}\ \text{J}\)
Question 2
Calculs
\(Q_1 = 0{,}100 \times 2\,100 \times 18 = 3{,}78\times10^{3}\ \text{J}\) \(Q_2 = 0{,}100 \times 3{,}34\times10^{5} = 3{,}34\times10^{4}\ \text{J}\) \(Q_3 = 0{,}100 \times 4\,180 \times 5 = 2{,}09\times10^{3}\ \text{J}\) \(Q_{\text{glaçons}} = Q_1 + Q_2 + Q_3\)\(Q = (0{,}378 + 3{,}34 + 0{,}209)\times10^{4}\) \(Q_{\text{glaçons}} = 3{,}93\times10^{4}\ \text{J}\)
Question 3
Calculs
\(\dfrac{3{,}93\times10^{4}}{2{,}25\times10^{3}} \approx 17\) ; part de la fusion : \(\dfrac{3{,}34\times10^{4}}{3{,}93\times10^{4}} \approx 85\ \%\).
Interprétation
À masse égale, les glaçons prélèvent environ 17 fois plus d'énergie que les pierres, et 85 % de cette énergie vient de la fusion. Les pierres ne changent pas d'état : elles refroidissent beaucoup moins. Elles évitent de diluer la boisson, mais il en faudrait près de 1,7 kg pour faire le travail de 100 g de glaçons.
Erreur à éviter
Oublier l'étape de fusion dans le calcul pour les glaçons : c'est justement elle qui compte le plus.