Exercices: Les changements d'état

Recopier et compléter le schéma avec le nom de chaque changement d'état :

1. a) De solide à liquide : $\dots$
2. b) De liquide à gaz : $\dots$
3. c) De gaz à liquide : $\dots$
4. d) De liquide à solide : $\dots$
5. e) De solide à gaz, sans passer par l'état liquide : $\dots$

Dans une boisson avec des glaçons, les glaçons deviennent de plus en plus petits jusqu'à disparaître. Quel changement d'état la glace a-t-elle subi ? Indiquer l'état initial, l'état final et le nom du changement.

Quand l'eau bout dans une bouilloire, de la vapeur sort par le bec. Comment s'appelle le changement d'état de liquide à gaz ? Donner un autre exemple de la vie quotidienne où ce même changement se produit.

Lorsque vous prenez une douche chaude, le miroir de la salle de bain s'embue et se couvre de petites gouttes. Quel changement d'état la vapeur d'eau subit-elle au contact du miroir froid ? Écrire son nom et son sens (de quel état à quel état).

Pour faire des glaçons à la maison, Léo remplit d'eau un bac à glaçons et le met au congélateur. Quel changement d'état l'eau subit-elle ? Écrire son nom et son sens (de quel état à quel état).

Les boules de camphre que l'on place dans les armoires contre les mites s'usent peu à peu sans mouiller rien autour : elles passent directement de l'état solide à l'état gazeux. Comment s'appelle ce changement d'état ?

À quelle température la glace fond-elle ? Et à quelle température l'eau bout-elle au niveau de la mer ? Les exprimer en degrés Celsius.

Marc chauffe une casserole contenant de la glace et de l'eau et observe le thermomètre : tant qu'il reste de la glace non fondue, la température n'augmente pas. La figure montre le montage.

Que se passe-t-il pour la température d'un corps pur pendant un changement d'état ? Augmente-t-elle, diminue-t-elle ou reste-t-elle constante ?

Identifier le changement d'état qui se produit dans chaque cas et justifier si la substance reçoit un transfert thermique du milieu ambiant ou en cède :

1. a) La rosée du matin : petites gouttes d'eau sur l'herbe.
2. b) Le linge mouillé qui sèche au soleil.
3. c) La paraffine liquide d'une bougie qui se solidifie quand on l'éteint.

Jimena chauffe de la glace pilée sortant du congélateur à $-10\ ^\circ\text{C}$ et mesure la température chaque minute : elle monte d'abord jusqu'à $0\ ^\circ\text{C}$ ; puis elle reste fixe à $0\ ^\circ\text{C}$ pendant $6\ \text{min}$ tandis que de l'eau apparaît ; enfin elle remonte. La figure montre le graphique température-temps obtenu par Jimena.

1. a) Dans quelle portion n'y a-t-il que de la glace ?
2. b) Que se passe-t-il pendant la portion horizontale à $0\ ^\circ\text{C}$ ? Dans quels états se trouve l'eau dans cette portion ?

L'eau de la marmite de grand-mère bout et le thermomètre de cuisine indique $100\ ^\circ\text{C}$. Vous mettez le feu au maximum et la vapeur sort avec plus de force, mais le thermomètre continue d'indiquer $100\ ^\circ\text{C}$, comme le montre la figure.

1. a) Quel changement d'état se produit ?
2. b) Si davantage d'énergie est fournie, pourquoi la température n'augmente-t-elle pas ? À quoi cette énergie sert-elle ?

Une flaque dans la rue sèche au soleil à $20\ ^\circ\text{C}$ sans que l'eau bouille. En revanche, l'eau d'une casserole ne bout que lorsqu'elle atteint $100\ ^\circ\text{C}$. Dans les deux cas, l'eau passe de l'état liquide à l'état gazeux. Expliquer la différence entre évaporation et ébullition : quelle partie du liquide se transforme en gaz dans chaque cas et à quelles températures chacune peut-elle se produire ?

Après avoir lavé le sol de la cuisine, vous voulez qu'il sèche le plus vite possible. Sèchera-t-il plus vite un jour chaud ou un jour froid ? Ouvrir la fenêtre pour faire circuler l'air aide-t-il ? Donner deux raisons, en réfléchissant à ce qui aide les particules d'eau à s'échapper de la surface du sol.

Quand on désinfecte une plaie avec de l'alcool, la peau sèche en quelques secondes et on ressent une sensation de froid à cet endroit.

1. a) Quel changement d'état l'alcool subit-il sur la peau ?
2. b) La vaporisation nécessite de l'énergie : d'où l'alcool la tire-t-il ? Pourquoi ressent-on du froid ?

Par un matin très froid, le pare-brise de la voiture est couvert de givre : la vapeur d'eau de l'air est passée directement à l'état de glace, sans passer par l'état liquide. De quel changement d'état s'agit-il ? En quoi ressemble-t-il à la formation de la rosée et en quoi en diffère-t-il ?

Après une chute de neige arrive une semaine froide et sèche, sans que la température dépasse $0\ ^\circ\text{C}$. Pourtant, la neige du trottoir diminue jour après jour sans mouiller le sol. Quel changement d'état explique que la neige disparaisse sans fondre ? L'expliquer.

Lors d'une expérience au laboratoire, on chauffe une casserole contenant de la glace à $-5\ ^\circ\text{C}$ avec une source de chaleur constante et on note la température chaque minute : la température augmente et atteint $0\ ^\circ\text{C}$ à la minute $2$ ; elle reste à $0\ ^\circ\text{C}$ jusqu'à la minute $10$ ; puis elle remonte jusqu'à $100\ ^\circ\text{C}$, qu'elle atteint à la minute $20$, et elle y reste tant que l'eau bout.

1. a) Décrire l'allure du graphique température-temps : quelles portions croissantes et quelles portions horizontales (paliers) il comporte, et à quelles températures se situent-elles.
2. b) Dans quel état se trouve l'eau à la minute $5$ ? Et à la minute $15$ ?
3. c) Combien de minutes la fusion de la glace a-t-elle duré ?
4. d) Que se passe-t-il à chaque palier ? Pourquoi la température n'augmente-t-elle pas pendant ceux-ci alors que la source de chaleur reste allumée ?

Lorsqu'on chauffe un corps inconnu, son graphique température-temps présente deux paliers : l'un à $50\ ^\circ\text{C}$ et l'autre à $120\ ^\circ\text{C}$, comme le montre la figure.

1. a) Que signifie chaque palier ?
2. b) Dans quel état se trouve la substance à $25\ ^\circ\text{C}$ ? Et à $90\ ^\circ\text{C}$ ?
3. c) Pourrait-il s'agir d'eau ? Expliquer pourquoi les températures de fusion et d'ébullition permettent d'identifier des corps purs.

Dans un refuge de montagne à $2000\ \text{m}$ d'altitude, l'eau bout à environ $93\ ^\circ\text{C}$, car la pression de l'air est plus faible qu'au niveau de la mer.

1. a) Pensez-vous qu'un œuf dur y cuise plus vite ou plus lentement qu'à la plage ? Justifier la réponse.
2. b) Dans une cocotte-minute, c'est l'inverse : l'eau bout au-dessus de $100\ ^\circ\text{C}$. Pourquoi les aliments y cuisent-ils plus vite ?

Lors des concerts, on utilise de la glace sèche (dioxyde de carbone solide, très froid) pour créer un nuage blanc qui recouvre le sol de la scène.

1. a) La glace sèche passe directement de l'état solide à l'état gazeux sans fondre : comment s'appelle ce changement d'état ?
2. b) Le nuage blanc n'est pas le dioxyde de carbone, qui est invisible, mais de petites gouttes d'eau qui se forment quand la vapeur d'eau de l'air se refroidit à son contact : quel changement d'état cette vapeur d'eau subit-elle ? Expliquer la chaîne complète de changements qui produit le nuage.

Une brûlure par la vapeur d'eau à $100\ ^\circ\text{C}$ est plus grave qu'une brûlure par de l'eau bouillante à $100\ ^\circ\text{C}$, bien que les deux soient à la même température. Indice : au contact de la peau, la vapeur se condense d'abord et passe à l'état liquide. Utiliser l'indice pour expliquer pourquoi la vapeur cède plus d'énergie à la peau que l'eau bouillante.

Vous mettez un verre d'eau à $20\ ^\circ\text{C}$ dans le congélateur, qui est à $-18\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Décrire l'allure du graphique de refroidissement de l'eau : quelles portions décroissantes et quelle portion horizontale (palier) il comporterait, et à quelle température se situerait le palier.
2. b) Quel changement d'état se produit pendant ce palier ?
3. c) Si l'on refait l'expérience avec deux fois plus d'eau, le palier durera-t-il plus ou moins longtemps ? Justifier la réponse.

En hiver, Arthur étend son linge mouillé à l'intérieur de la maison. Le linge met très longtemps à sécher et, au bout de quelques heures, les vitres des fenêtres sont embuées.

1. a) Quel changement d'état l'eau du linge subit-elle ?
2. b) D'où viennent les petites gouttes sur les fenêtres ? Expliquer le trajet de l'eau depuis le linge jusqu'à la vitre, en nommant les deux changements d'état qui se produisent.
3. c) Proposer deux façons d'accélérer le séchage du linge et les justifier.

L'alcool éthylique bout à $78\ ^\circ\text{C}$. Au laboratoire, vous chauffez en même temps, avec la même source de chaleur, un bécher d'eau et un autre contenant la même quantité d'alcool, tous deux à la même température initiale.

1. a) Lequel des deux atteint le premier son palier d'ébullition ?
2. b) Lorsque les deux bouillent, lequel est à la température la plus élevée ?
3. c) Quelle propriété caractéristique de chaque substance cette expérience met-elle en évidence ? À quoi peut servir de la connaître ?

Défi du thème. Pourquoi la température ne change-t-elle pas pendant que la glace fond ? Étudier le graphique de fusion de l'eau dans votre propre cuisine.

1. Mesurer avec le thermomètre la température ambiante actuelle de la cuisine. Placer plusieurs glaçons avec un peu d'eau dans un verre.

2. Mesurer la température toutes les $2\text{ min}$ avec un thermomètre de cuisine (incertitude de $\pm 0,5\text{ }^\circ\text{C}$) en remuant avec précaution, jusqu'à ce que toute la glace ait fondu et pendant $4\text{ min}$ de plus.

3. Consigner les mesures dans un tableau avec leurs incertitudes ($t \pm 1\text{ s}$, $T \pm 0,5\text{ }^\circ\text{C}$) et tracer le graphique de la température en fonction du temps, en repérant le palier du changement d'état.

4. Rédiger un bref compte rendu scientifique expliquant, selon le modèle cinétique-moléculaire, ce qui se passe pour l'énergie cinétique, les forces de cohésion et l'organisation des particules pendant le palier puis pendant la montée vers la température ambiante.

Seront évalués :

• L'enregistrement rigoureux des données avec leurs incertitudes et le tracé correct du graphique.

• L'identification précise du changement d'état et du palier de fusion.

• L'explication cohérente du phénomène à l'aide du modèle cinétique-moléculaire.