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Physique-Chimie 2de

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Exercices




Pour commencer

Savoir-faire - Parcours d'apprentissage

Identifier le sens des transferts d’énergie :
13
26

Savoir écrire une équation pour un changement d’état :
10
13
23

Utiliser correctement les termes exothermique et endothermique :
13
DIFF
23
24
26

Connaître et utiliser la formule de l’énergie transférée :
12
13
16

Les échanges d’énergie

Supplément numérique

Pour plus d'informations sur les comètes et leur chevelure, consultez le site astronomes.com !
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12
Calculer une énergie de changement d’état

MOD : Utiliser de façon rigoureuse le modèle de l’énergie
MATH : Pratiquer le calcul numérique

De l’éther versé sur la peau procure une sensation de froid.

1. Expliquer ce phénomène (voir activité 1).


2. Si la masse d’éther était de 5,0 g, calculer la quantité d’énergie transférée par la peau lors de ce changement d’état.


Données

Température d’ébullition de l’éther : 35 °C ;
Énergie massique de vaporisation de l’éther : 376,5 kJ·kg-1.

Supplément numérique
B
Les MCP

Faire un brouillon comprenant un schéma, données et notions
Utiliser de façon rigoureuse le modèle de l'énergie

Les Matériaux à Changement de Phase (MCP) ont pour particularité de pouvoir stocker de l’énergie lorsqu’ils changent d’état physique. Insérer dans des petites capsules en polymère, dans de la peinture, ils sont capables d’assurer un meilleur confort thermique dans la maison.
Ainsi, lorsque la température diminue, le matériau, dans la capsule, se solidifie et cette réaction dégage de la chaleur. À l’inverse, une élévation de température ramènera le matériau à son état liquide en consommant de l’énergie. Ainsi une couche de 15 millimètres d’un enduit MCP apporte la même inertie thermique que 2 ou 3 centimètres de béton.
Schéma MCP


1. Sur un brouillon, récolter toutes les informations concernant les MCP. Organiser les à l’aide d’un schéma.
Couleurs
Formes
Dessinez ici


2. Écrire les deux équations de changement d’état indiquées dans le le texte et préciser si les transformations sont exothermiques ou endothermiques.


3. Précisez le système avec lequel le MCP échange de l’énergie.


4. Justifier rigoureusement par des considérations énergétiques la phrase : « assurer un meilleur confort thermique dans la maison ».
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16
L’acide acétique

COM : Associer les bonnes unités aux grandeurs physiques et faire des conversions

Le vinaigre contient de l’acide acétique dilué. Les températures de changement d’état de l’acide acétique pur sont θfusion=17\theta_\text{fusion} = 17 °C et θvaporisation=118\theta_\text{vaporisation} = 118 °C.

1. Quel est l’état physique de l’acide acétique à température ambiante ?


2. Calculer l’énergie transférée pour réaliser la vaporisation de 250 mL d’acide acétique à 118 °C.


3. Calculer l’énergie transférée pour réaliser la solidification de 250 mL d’acide acétique à 17 °C.


4. Préciser si ces réactions sont exothermiques ou endothermiques.


Données

  • Lvaporisation(acide aceˊtique)=395 L_\text{vaporisation}\text{(acide acétique)}= 395 kJ·kg-1 ;
  • Lsolidification(acide aceˊtique)=195,5 L_\text{solidification}\text{(acide acétique)}= 195\text{,}5 kJ·kg-1 ;
  • Masse volumique de l’acide acétique : ρ=1,049 \rho = 1\text{,}049 g·mL-1.
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15
L’éthanol

MATH : Pratiquer le calcul numérique : puissances de 10

L’éthanol est liquide à température ambiante (sa température de vaporisation est de 79 °C).

1. L’éthanol reçoit-il ou cède-t-il de l’énergie thermique lors de la vaporisation ?


2. Cette transformation est-elle exothermique ou endothermique ?


3. Calculer l’énergie transférée pour réaliser la vaporisation de 200 g d’éthanol à 79 °C en précisant si le système reçoit ou libère de l'énergie.


Données
Lvaporisation(eˊthanol)=855 L_\text{vaporisation}\text{(éthanol)}= 855 kJ·kg-1.
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13
Les comètes

MOD : Utiliser de façon rigoureuse le modèle de l’énergie
MATH : Pratiquer le calcul littéral et le calcul numérique : puissances de 10

Les comètes

Les comètes sont des petits corps de quelques kilomètres de diamètre, composés principalement de glace d’eau et de poussière.

Du fait de leur longue orbite, parfois éloignée (au-delà des dernières planètes géantes), ces objets se trouvent loin de toute source de chaleur. Ils sont donc très froids et sous forme solide.

Lorsqu’une comète se rapproche du Soleil, les glaces se subliment et entraînent l’éjection de gaz et de poussières. Ce sont ces poussières qu’il est alors possible d’observer depuis la Terre car elles diffusent la lumière solaire et forment la chevelure de la comète.

1. Écrire l’équation de changement d’état de l’eau au cours de la sublimation.


2. Cette transformation est-elle exothermique ou endothermique ? Justifier la réponse à l’aide du texte.


3. Calculer l’énergie nécessaire à fournir pour effectuer la sublimation d’un volume V=3,5×104V = 3\text{,}5 \times 10^4 m3 de glace.


Données

Masse volumique de l’eau solide : ρ=917 \rho = 917 kJ·m3 ;
Énergie de changement d’état pour la sublimation de l’eau : Lsublimation(eau)=2837 L_\text{sublimation}\text{(eau)}= 2 \,837 kJ·kg-1.
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14
La lyophilisation

APP : Faire un brouillon
MOD : Modéliser une transformation physique

La lyophilisation est un procédé de conservation d’un corps très utilisée en agroalimentaire.
Ce procédé met en jeu plusieurs étapes :
  • la congélation du composé ;
  • l’abaissement de pression dans l’enceinte de l’appareil.

Lors de cette deuxième phase, l’eau solide dans le composé passe à l’état de gaz. Le composé est ainsi presque déshydraté et pourra être conservé (c’est le cas du café soluble).
La congélation constitue l’étape critique. Si les cristaux de glace sont gros, après le passage à l’état gazeux, ils disparaissent en laissant la place à de gros pores dans le composé. Le composé risque alors de ne pas retrouver ces propriétés une fois réhydraté.

Muesli vs Fraises

1. Au brouillon, indiquer l’état physique de l’eau au cours des différentes étapes ainsi que le nom des changements d’état physique qu’elle subit.


2. Écrire alors les équations des changements d’état subis par l’eau.


3. Préciser le sens des transferts thermiques.


4. Que peut-on dire du solide formé à la fin de la première étape ? Expliquer la réponse par une modélisation de ce changement d'état au niveau microscopique.

Modélisation des transformations physiques

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11
Identifier l’état d’une espèce chimique

MOD : Faire le lien entre les modèles microscopiques et les grandeurs macroscopiques

Sous pression atmosphérique normale et à la température de 25 °C, l’éthane est gazeux alors que l’éthanol est liquide.

1. Quel est le composé le plus désordonné à 25 °C ?


2. Dans quel composé les liaisons intermoléculaires sont-elles plus fortes à 25 °C ? Expliquer la réponse.


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10
Utiliser le modèle particulaire

APP : Maîtriser le vocabulaire du cours

Utiliser le modèle particulaire

1.
Écrire l’équation de ce changement d’état et en préciser le nom.
Nom de l'équation:

Équation du changement d'état :


2. Au cours de cette transformation physique, que peut-on dire de l’agitation des molécules et des liaisons entre les molécules ?


3. Faire une phrase complète en utilisant un vocabulaire rigoureux pour expliquer ce changement d’état à l’aide du modèle particulaire.

Une notion, trois exercices


DIFFÉRENCIATION
Savoir-faire: Identifier le sens des transferts d'énergie
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18
Le fluide frigorigène

MOD : Utiliser de façon rigoureuse le modèle de l’énergie

1. Quel est le rôle du fluide frigorigène ?


2. Dans quelle partie du système absorbe-t-il de l’énergie ? Expliquer le phénomène physique.


3. Dans quelle partie du système libère-t-il de l’énergie ? Expliquer le phénomène physique.


4. Expliquer alors le principe de chauffage par géothermie.

La pompe à chaleur géothermique (PAC)

La pompe à chaleur géothermique (PAC)

La PAC géothermique puise son énergie du sol pour délivrer un chauffage et une eau chaude très économes. Elle permet ainsi de valoriser l’énergie renouvelable en l’absorbant à l’extérieur puis en la restituant à l’intérieur de l’habitation par l’intermédiaire d’un circuit de distribution (plancher chauffant, réseau de radiateurs, ventilo-convecteurs). Pour cela, un fluide frigorifique circule dans un circuit fermé.
  1. Le fluide frigorigène présent dans ce circuit est amené de l’état liquide à l’état gazeux dans l’évaporateur, permettant ainsi de récupérer la chaleur du sol ou du puits.
  2. Le compresseur augmente la pression du fluide, ce qui augmente aussi sa température.
  3. Dans le condenseur, le fluide transmet la chaleur au circuit de chauffage tout en passant à l’état liquide.
  4. Le fluide frigorigène traverse le détendeur thermostatique et se retrouve à l’état initial en basse pression et basse température, avant de retourner à l’évaporateur.
Extrait de www.sofath.com.
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19
L’évaporateur et le condenseur

MOD : Utiliser de façon rigoureuse le modèle de l’énergie

1. Identifier les parties de la pompe où des changements d’état physique ont lieu.


2. Préciser dans chaque cas si ces transformations sont exothermiques ou endothermiques.


3. Indiquer toutes les différences que présente le fluide frigorigène entre l’entrée et la sortie du compresseur, notamment pour ce qui concerne l’énergie qu’il contient.


4. Les pompes à chaleur sont dites dithermes. Expliquer pourquoi.


5. Expliquer le principe de chauffage par géothermie.

17
L’évaporateur et le condenseur

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MOD : Utiliser de façon rigoureuse le modèle de l’énergie

1. Numéroter sur le schéma les différentes parties de la pompe à chaleur.


2. Faire un schéma à l’échelle moléculaire expliquant le phénomène mis en jeu dans l’évaporateur.
Couleurs
Formes
Dessinez ici


3. Justifier alors la phrase « l’évaporateur, permettant ainsi de récupérer la chaleur du sol ».


4. Répondre aux questions 2 et 3 pour le condenseur.


5. Expliquer le principe de chauffage par géothermie.

Pour s'échauffer

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Supplément numérique
A
La paraffine

La paraffine, sert a la fabrication des bougies. Sa température de fusion est de 52 °C.
Indiquer son état physique à –10 °C, 45 °C et 60 °C.


4
Repérer les grandeurs et unités

Rappeler la formule permettant de calculer la quantité d’énergie transférée au cours d’un changement d’état. Préciser toutes les grandeurs et les unités.


5
Liquéfaction

Décrire le phénomène de liquéfaction du point de vue des échanges d’énergie.


6
Chlorure de sodium

La fusion de sels de chlorure de sodium (NaCl) est réalisée dans certaines centrales solaires thermiques.
Écrire l’équation de ce changement d’état.


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7
Fusion

Décrire le phénomène de fusion du point de vue moléculaire.


8
Fusion du chlorure de sodium (1)

On réalise la fusion de 10 kg de chlorure de sodium.
Indiquer si ce sel capte ou libère de l’énergie.

9
Fusion du chlorure de sodium (2)

On réalise la fusion de 10 kg de chlorure de sodium.
Calculer l’énergie nécéssaire.


Données
Lfusion(NaCl)=481×103L_\text{fusion}\text{(NaCl)} = 481 \times 10^3 J·kg-1.
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