Changement d état Préparation au CRPE (composante mineure) Éléments de correction

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1 Changement d état Préparation au CRPE (composante mineure) Éléments de correction I Exercices extraits de manuels d école élémentaire (1) A C D E G I (2) 1 a) Au-dessus de la casserole on observe un brouillard constitué de fines gouttelettes d eau liquide. b) La buée est constituée de fines gouttelettes d eau liquide. c) La buée se forme lorsque la vapeur d eau présente dans l air vient au contact d une surface froide. Il y a liquéfaction de l eau qui passe de l état gazeux à l état liquide. 2 L eau qu il y avait sur le banc s est évaporée. Elle est passée de l état liquide à l état gazeux. Elle est présente dans l air sous forme de vapeur d eau qui est un gaz incolore et inodore. L eau de la flaque s est en partie évaporée et en partie infiltrée dans le sol. (3) 1 en haut : FUSION ; en bas : SOLIDIFICATION 2 B ; C ; E 3 niveau A 4 la masse n a pas changé (4) 1 - a) Vaporisation à l ébullition b) Liquéfaction c) Vaporisation à l évaporation 2 Un gaz invisible 3 - a) température légèrement inférieure à 100 C b) les bulles sont faites de vapeur d eau c) le brouillard est fait de fines gouttelettes d eau liquide d) les bulles seront plus grosses et plus nombreuses, la température ne va pas changer. (1) 1 a) n 4 b) n F ; A ; C ; B ; D ; E (2) 1 - a) A : assiette sur le radiateur ; B : on ne peut pas savoir ; C : bol large ; D : bol ventilé b) On ne peut pas savoir car la ventilation favorise l évaporation de l eau contenue par le verre mais la grande surface favorise également l évaporation de l eau contenue par l assiette. Les deux récipients diffèrent par deux facteurs agissant en sens contraire. 2 - Il apparaît de la buée qui provient de la liquéfaction de la vapeur d eau, présente dans l air de la pièce, au contact avec la surface froide du verre. II Exercices de collège 1/ - n 1 Au cours de l ébullition, l eau passe de l état liquide à l état gazeux, elle se vaporise. Par refroidissement de sa vapeur, l eau se liquéfie. Pendant l ébullition, la température de l eau pure reste constante et égale à 100 C La température d ébullition de l eau dépend de la pression de l air ; elle est : - inférieure à 100 C, si la pression est inférieure à la pression atmosphérique normale. - supérieure à 100 C, si la pression est supérieure à la pression atmosphérique normale. - n 4 1 : buée ; 2 : brouillard ; 3 : vapeur d eau ; 4 : bulle de vapeur d eau ; 5 : eau bouillante - n 19 a) c est la courbe (a) qui correspond à l ébullition de l eau distillée car elle présente un pallier de température à 100 C. b) lors de la vaporisation de l un de ses constituants les proportions dans la composition du mélange changent. La température d ébullition d un mélange n est pas constante, la courbe d ébullition du mélange ne présente pas de palier de température (température constante).

2 2/ n 7 1) C est le passage de l état liquide à l état gazeux appelé vaporisation. 2) Non on n a pas eu besoin de chauffer le liquide pour qu il passe à l état gazeux. Il a suffit de le mettre à la pression atmosphérique. 3) Le butane est à l état liquide à l intérieur de la bouteille car il est sous forte pression. La température de passage de l état liquide à l état gazeux augmente avec la pression. À la température ordinaire et à la pression normale le butane est gazeux. n 10 1) La chaussée se couvre de verglas car l eau gèle à 0 C. La température extérieure étant inférieure à 0 C l eau passe de l état liquide à l état solide et le verglas se forme. 2) Le mélange sur le sol sera dans un premier temps à une température proche de 4 C puis certainement légèrement inférieure à 4 C. 3) L eau liquide, toujours présente à la surface de la glace, va se mélanger avec le sel. Si l on met suffisamment de sel, l eau salée formée sera assez concentrée pour que sa température de solidification soit inférieure à 4 C. L eau salée restera donc liquide et se mélangera avec le film d eau qui se forme à la surface de la glace. De proche en proche la glace va fondre et passer à l état liquide. 4) Si la température continue à baisser on peut ajouter du sel mais l efficacité reste limitée à une température extérieure de 5 à 6 C. Il est possible d utiliser d autres sels que le chlorure de sodium (le chlorure de calcium par exemple) mais l impact sur l environnement n est pas négligeable. n 12 1) La température de la limonade va progressivement augmenter. La limonade va se réchauffer. 2) Entre 0 et 4 C si la température est homogénéisée par une agitation de la boisson. 3) La glace va subir une fusion, elle va passer de l état solide à l état liquide. 4) La boisson restera fraîche pendant le temps de la fusion de la glace. La fusion nécessite un apport de chaleur du milieu extérieur. C est la limonade et l air ambiant qui apportent cette chaleur. Cette chaleur est utilisée pour la fusion de la glace et non pour élever la température de la limonade c est pourquoi celle-ci reste fraîche. 3/ n 17 a) Dessin n 1 phrase : B ; dessin n 2 phrase D ; dessin n 3 phrase A ; dessin n 4 phrase C ; dessin n 5 phrase E ; dessin n 6 phrase G ; dessin n 7 phrase F. b et c ) phrase A : vaporisation (évaporation), passage de l état liquide à l état gazeux ; phrase F : fusion, passage de l état solide à l état liquide ; phrase G : liquéfaction (passage de l état gazeux à l état liquide) et solidification (passage de l état liquide à l état solide). n 16 La température d ébullition de l eau dépend de la pression de l air au-dessus de sa surface. Plus la pression est faible, plus la température d ébullition est basse. D autre part, la pression atmosphérique décroît avec l altitude. Au sommet d une montagne elle est donc plus faible qu au niveau de la mer. L eau pour cuire les œufs va donc bouillir à une température plus basse au sommet de la montagne qu au niveau de la mer et il faudra attendre plus longtemps pour que l œuf devienne dur. n 11 Le mercure est solide en-dessous de sa température de fusion à savoir 38,9 C. À 50 C il est donc solide et ne peut pas être utilisé comme liquide dans un thermomètre. 4/

3 n 15 Quand l eau passe de l état solide à l état liquide les molécules passent : b) d un état compact à un autre état compact c) d un état ordonné à un état désordonné n 13 a) L olfaction est assurée par la muqueuse olfactive qui recouvre environ 0,5 cm 2 de la surface de la muqueuse nasale. b) le liquide du flacon s est vaporisé sous l action de la chaleur de la flamme de bougie. Le «gaz lavande» s est répandu partout dans la maison. c) Le passage de l état liquide à l état gazeux s appelle la vaporisation. d) Les molécules du «gaz lavande» sont libres. Elles sont animées de mouvements importants qui occasionnent des chocs avec les autres molécules de gaz et avec les différents objets et parois. C est pourquoi le gaz se disperse dans toute la maison, on dit que le gaz est expansible. n 17 Au cours de la vaporisation de l eau, les molécules passent : b) d un état compact à un état dispersé. c) d un état désordonné à un état désordonné III Questions des précédents CRPE CRPE session 2006 (groupe 1) Les plaques sont depuis un temps long dans le local, et sont en équilibre thermique avec l'air du local. Elles sont donc à la même température. La sensation de froid au contact de la main est la conséquence de l'échange thermique entre la main ("corps" chaud") et l'objet ("corps froid"). Pour une durée donnée, l'échange est d'autant plus important que la plaque sur laquelle repose la main est bonne conductrice de la chaleur. Le métal étant meilleur conducteur de la chaleur que le bois, l'échange thermique sera plus important avec la plaque de métal d'où cette impression de froid (la main donne plus de chaleur à la plaque de métal qu'à celle de bois). CRPE session 2006 (groupe 2) Les résultats expérimentaux réunis dans le tableau nous donnent quelques informations importantes : - la température de l'eau augmente régulièrement de 22,5 C à 100,1 C dans les 9 premières minutes ; - puis celle-ci reste constante et égale à 100,1 C, bien que l'on continue à fournir de l'énergie. Interprétation : - La température reste constante à partir de la neuvième minute ; on observe à partir de cet instant le changement d'état de l'eau qui bout, passant à l'état vapeur ; cela n'est pas mentionné en dessous du tableau, qui donne seulement des indications sur les mesures, sans rapporter les autres observations effectuées ; - Le changement d'état a lieu vers 100 C, on est donc à peu près sous pression atmosphérique normale (1013 hpa) ; - Tant que la température est inférieure à la température d'ébullition, elle peut augmenter ce qui traduit la possibilité d'une agitation moléculaire croissante de l'eau (observations entre 0 et 8 minutes). - À une température supérieure à la température d'ébullition, l'eau et la vapeur d'eau ne peuvent coexister en équilibre; donc, à la température d'ébullition, tout le liquide va passer à l'état gazeux si on continue de chauffer ; les molécules d'eau commencent à se "séparer" et tant que toute l'eau à l'état liquide ne sera pas passée à l'état gazeux, la température restera constante. C'est ce qu'on appelle le palier de transformation liquide-gaz. Remarque : ici l'eau ne bout pas exactement à 100 C. On peut expliquer ceci par l'utilisation d'une eau possédant des impuretés chimiques et/ou par une pression atmosphérique différente de la pression normale et/ou une erreur de graduation du thermomètre. CRPE session 2006 (groupe 3) Lorsqu on sort une bouteille d eau du réfrigérateur, sa température est très en dessous de la température ambiante. L air qui se trouve en contact direct avec la bouteille se trouve rapidement refroidi. L air est un mélange gazeux qui contient en général de la vapeur d eau (eau à l état gazeux). La vapeur d eau (gaz invisible) se condense à l état liquide (ou se liquéfie) au contact des parois froides du récipient et passe à l état liquide. Ce phénomène se manifeste par la formation de fines gouttelettes d eau liquide ou buée.

4 CRPE session 2006 (groupe 4) Question 1 : Donnez une définition scientifique des trois termes suivants en illustrant à chaque fois par un exemple : fumée, vapeur, brouillard. Une fumée est un mélange hétérogène de gaz et de fines particules solides en suspension dans ce (ou ces) gaz. Les fines particules diffusent la lumière et sont donc visibles. Les fumées proviennent souvent de combustions incomplètes qui produisent de fines particules de carbone. Exemple : fumée de chaudières d usine, fumée à la sortie des pots d échappement des moteurs mal réglés ; fumée de conduit de cheminée... Vapeur est synonyme de gaz. Une vapeur est un corps pur à l état gazeux. On utilise souvent le mot vapeur lorsque ce gaz se forme suite à la vaporisation d une substance liquide dans les conditions habituelles de température et de pression. Exemple : la vapeur d eau ou eau à l état gazeux, vapeur d alcool, vapeur d éther, vapeur d'essence. Un brouillard est un mélange hétérogène de gaz et de fines gouttelettes d eau en suspension dans ce (ou ces) gaz. Le brouillard se forme par liquéfaction rapide de vapeur. La vapeur saturante représente la quantité de vapeur d'eau que peut contenir l'air, et cette quantité diminue quand la température baisse. Si la quantité de vapeur contenue dans l'air devient supérieure à la vapeur saturante, l'excès de vapeur se liquéfie et forme le brouillard. Exemple : un nuage peut être un brouillard, la température en altitude est plus basse que la température au niveau du sol. Un brouillard se forme au niveau du sol lorsque la température baisse. Au-dessus d une casserole d eau en ébullition on peut observer un brouillard. Question 2 : On peut distinguer, à l échelle macroscopique, trois états pour l eau : état liquide (eau liquide)., état solide (glace d'eau, givre), état gazeux (vapeur d eau). Les différentes transformations possibles pour passer d un état à un autre sont appelées «changements d état». La solidification est la transformation qui fait passer l eau de l état liquide à l état solide (glace d eau). Elle se déroule à la température constante de 0 Celsius pour l'eau pure. Elle dégage de l'énergie, il est donc nécessaire de placer l'eau dans un environnement inférieur à 0 C pour que ce transfert selon le mode «chaleur» soit possible et donc que la transformation se réalise. L'eau peut exister à l'état liquide à une température inférieure à 0 C : c'est le phénomène de surfusion. Dès que l'eau en surfusion rencontre une impureté ou subit un choc, elle se solidifie rapidement en glace. La transformation inverse de la solidification s appelle la fusion. Elle se déroule à la température constante de 0 C pour l'eau pure. Elle se réalise à la température supérieure ou égale à 0 C, par apport d'énergie (transfert selon le mode «chaleur» chaleur). Le passage de l état liquide à l état gazeux s appelle la vaporisation. Pour une pression donnée, la vaporisation demande un apport d'énergie (transfert sous forme de chaleur). Deux modes de vaporisation sont possibles : l ébullition et l évaporation. L ébullition est une transformation rapide qui se réalise dans tout le volume du liquide. Pour tout corps pur, celle-ci se réalise à une température constante qui dépend de la pression (elle augmente ou diminue selon la pression). Pour l'eau pure, la température d'ébullition est de 100 C dans les conditions du laboratoire (dispositif matériel) et sous la pression atmosphérique normale de 1013 hpa. L évaporation est une vaporisation lente, c'est un phénomène de surface (surface liquide-air). Elle se réalise, quelles que soient la température du liquide et la pression de l air, dans des conditions où l'air n'est pas saturé en liquide. La vitesse d évaporation dépend de plusieurs facteurs : de l'aire de la surface de contact liquide-air, de la température, de la ventilation de l'air ambiant, du taux d'humidité en liquide de l'air. La liquéfaction est la transformation inverse de la vaporisation (passage de l'état gazeux à l'état liquide). Elle se manifeste sous forme de brouillard (voir question précédente) de buée sur une surface froide. Elle

5 est, dans le langage courant, appelée condensation, terme scientifiquement impropre qu'il convient de réserver à un autre changement d'état. Cette transformation dégage de l'énergie La condensation solide est le changement d'état faisant passer de l'état gazeux à l'état solide. Le givre se forme par passage direct de l'état gazeux à l'état solide (sans passage par la phase liquide), lorsque l'écart de température est très important. La sublimation est la transformation inverse. CRPE session 2007 (groupe 2) 1.1 À la pression atmosphérique normale : l eau bout à environ 100 C. Dans un autocuiseur : la pression est supérieure à la pression atmosphérique normale donc la température d ébullition de l eau est supérieure à 100 C (de l ordre de 115 C). La température à laquelle sont portés les aliments est plus grande dans un autocuiseur que dans une casserole ce qui permet de réduire le temps de cuisson. 1.2 À la sortie immédiate de la soupape il y a un gaz invisible qui est la vapeur d eau. Au-dessus, on voit un nuage ou brouillard (brume) constitué de fines particules d eau en suspension (vapeur d eau liquéfiée). CRPE session 2007 (groupe 3) a- On observe un changement d état de l eau. L eau à l état solide devient de l eau à l état liquide. Il s agit de la même matière dans deux états différents. On peut mesurer la température du mélange eau liquide-eau solide à intervalles de temps réguliers. On effectuera ensuite une représentation graphique de la température en fonction du temps. On pourra constater que la température reste constante à 0 C pendant toute la durée de la fusion de la glace. Dès que le dernier morceau de glace aura fondu la température augmentera progressivement pour atteindre la valeur de la température ambiante. b- Dans le cas de la fusion d eau salée la température du mélange eau salée solide eau salée liquide n est pas constante. CRPE session 2007 (groupe 5) Voir réponse question 3 concours La température du verre augmente pour atteindre la température ambiante à l équilibre thermique. A chaque couple température- pression correspond une quantité maximale d eau à l état de vapeur que l air peut contenir. Si cette quantité maximale n est pas atteinte, l eau s évapore, elle se transforme en gaz. À la température ambiante de la pièce et à la pression atmosphérique cette quantité maximale n est pas atteinte c est pourquoi la buée à la surface du verre disparaît, l eau liquide qui constitue la buée s évapore. CRPE 2008 (groupe 2) 1/ Le mélange liquide est constitué de sel et d eau. C est une eau salée à très forte concentration en sel. La température de solidification de ce mélange est inférieure à 15 C c est pourquoi le mélange est liquide. 2/ La vapeur d eau contenue dans l air de la pièce où se trouve le mélange réfrigérant est de l eau à l état gazeux. Au contact de la surface froide du récipient contenant le mélange, la vapeur d eau va se liquéfier puis se solidifier pour former le givre. CRPE 2008 (groupe 5) Les nuages peuvent contenir de l eau à l état liquide (gouttelettes) et de l eau à l état solide (cristaux de glace). À l origine de la formation du nuage, il y a la vapeur d eau issue de l évaporation de l eau liquide à la surface de la Terre. Puis dans les couches froides de l atmosphère, cette eau à l état gazeux se liquéfie pour former des gouttelettes d eau en suspension dans l air. Lorsque la température est suffisamment basse, l eau liquide se solidifie pour donner des cristaux de glace qui formeront la neige.

6 CRPE 2009 (groupe 6 ) 1. Le gaz expiré lors de la respiration d un être humain contient de la vapeur d eau (environ 1% en volume). La buée provient principalement de la liquéfaction de la vapeur d eau rejetée à chaque expiration de chacun des quatre occupants du véhicule. Elle provient également de la vapeur d eau contenue dans l air humide de l habitacle. Le passage de l état gazeux à l état liquide (liquéfaction) nécessite une température basse. En hiver, le pare-brise et les vitres du véhicule sont des surfaces froides. A leur contact, la vapeur d eau présente dans l air de l habitacle se liquéfie en une multitude de gouttelettes d eau liquide qui constituent la buée. 2. Le chauffage, en augmentant la température des vitres, va permettre la vaporisation de l eau liquide déposée sur leur surface sous forme de buée. Ce passage de l état liquide à l état gazeux est appelé évaporation. La ventilation permet d accélérer cette évaporation en chassant la vapeur d eau au fur et à mesure qu elle se forme au-dessus de la buée.