Exercices: Changement d'état et énergie

Écrire l'équation de chaque changement d'état de l'eau ci-dessous, avec les notations $\text{H}_2\text{O}(s)$, $\text{H}_2\text{O}(\ell)$ et $\text{H}_2\text{O}(g)$.

1. a) La fusion de la glace.

1. b) La vaporisation de l'eau liquide.

1. c) La condensation solide de la vapeur d'eau (givre).

L'énergie massique de fusion de la glace vaut $L_f = 334\ \text{kJ/kg}$. Calculer l'énergie nécessaire pour faire fondre $0,50\ \text{kg}$ de glace à $0\ ^\circ\text{C}$, avec $E = m\cdot L$.

Indiquer, pour chaque changement d'état, s'il est endothermique ou exothermique.

1. a) Fusion.

1. b) Solidification.

1. c) Vaporisation.

1. d) Liquéfaction.

Un glaçon de $25\ \text{g}$ à $0\ ^\circ\text{C}$ est placé dans un verre d'eau à Lyon. L'énergie massique de fusion de la glace est $L_f = 334\ \text{kJ/kg}$.

1. a) Calculer l'énergie reçue par le glaçon pour fondre entièrement.

1. b) Indiquer si la fusion est endothermique ou exothermique et d'où provient l'énergie.

Une bouilloire fournit à l'eau une puissance utile de $2,0\ \text{kW}$. L'énergie massique de vaporisation de l'eau vaut $L_v = 2\,260\ \text{kJ/kg}$. On suppose l'eau déjà à $100\ ^\circ\text{C}$.

1. a) Calculer l'énergie nécessaire pour vaporiser $150\ \text{g}$ d'eau.

1. b) Calculer la durée correspondante, en secondes puis en minutes, avec $E = P\cdot\Delta t$.

On étudie séparément deux transformations : la dissolution du sel de cuisine (chlorure de sodium) dans de l'eau, et la fusion de glace à $0\ ^\circ\text{C}$ dans un récipient.

1. a) Écrire l'équation de la dissolution du chlorure de sodium solide dans l'eau.

1. b) Citer deux différences entre la fusion de la glace et la dissolution du sel dans l'eau.

1. c) Écrire l'équation de la fusion de la glace.

Dans un calorimètre, on place $200\ \text{g}$ d'eau liquide à $20,0\ ^\circ\text{C}$ et on y ajoute $40\ \text{g}$ de glace à $0\ ^\circ\text{C}$. Données : $L_f = 334\ \text{kJ/kg}$ ; capacité thermique massique de l'eau $c = 4,18\ \text{kJ}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$. On néglige les pertes et la capacité du calorimètre.

1. a) Calculer l'énergie nécessaire pour faire fondre toute la glace.

1. b) Calculer l'énergie maximale que peut céder l'eau liquide en se refroidissant de $20,0\ ^\circ\text{C}$ à $0\ ^\circ\text{C}$ avec $E = m\,c\,\Delta T$.

1. c) En déduire si toute la glace fond et indiquer l'état final du système. Justifier.

Un congélateur de Toulouse transforme $1,2\ \text{kg}$ d'eau liquide à $0\ ^\circ\text{C}$ en glace à $0\ ^\circ\text{C}$ en $4,0\ \text{h}$. L'énergie massique de fusion est $L_f = 334\ \text{kJ/kg}$.

1. a) Calculer l'énergie échangée par l'eau lors de la solidification et préciser son signe (reçue ou cédée).

1. b) Calculer la puissance moyenne correspondante échangée par l'eau.

1. c) Justifier que l'énergie reçue par le milieu extérieur est égale, en valeur absolue, à celle mise en jeu lors de la fusion de la même masse, mais de sens opposé.

Un patient reçoit un spray réfrigérant à base d'éthanol sur la peau. On suppose que $2,0\ \text{g}$ d'éthanol se vaporisent entièrement en prélevant l'énergie à la peau. L'énergie massique de vaporisation de l'éthanol est $L_v = 846\ \text{kJ/kg}$. Pour l'eau, $L_v = 2\,260\ \text{kJ/kg}$.

1. a) Calculer l'énergie prélevée à la peau.

1. b) Calculer la masse d'eau qui devrait s'évaporer pour prélever la même énergie.

1. c) Expliquer pourquoi la peau se refroidit lors de l'évaporation, en utilisant le caractère endothermique de la vaporisation.