Sublimation (L) Condensation à l état solide

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1 1L : Physique et chimie dans la cuisine Chapitre.1 : Cuisine et changements d état I. Changements d état et température 1. Définition : Le changement d état d un corps est son passage d un état physique (Solide, liquide ou gazeux) à un autre. 2. Différents changements d état : On notera l état solide (S), l état liquide (L) et l état gazeux (G). Sublimation (S) Solidification Fusion (L) Vaporisation Liquéfaction (ou condensation) (G) Condensation à l état solide 3. Températures de changements d état d un corps 3.1 : Changement d état d un corps pur (l eau distillée) Activité.1 : Changement d état d un corps pur (l eau distillée) Réaliser l expérience suivante : Plonger une sonde thermométrique dans un mélange de glace pilée et d eau distillée (corps pur). Attendre la stabilisation de la température, et la relever : θ = Sonde thermométrique Glace pilée Eau distillée Quel changement d état se produit-il dans le bécher? Au cours de changement d état, suivre l évolution de la température. Que constatez-vous lors de ce changement d état? Activité.2 : Réaliser l expérience suivante : Plonger la sonde thermométrique dans un bécher contenant de l eau distillée (corps pur). Introduiser rapidement le bécher dans un mélange réfrigérant (1/3 gros sel 2/3 glace pilée). Sonde thermométrique Eau distillée Mélange réfrigérant : 1/3 gros sel et 2/3 glace pilée Suivre l évolution de la température au début de l expérience. Que se passe-t-il dans le bécher après quelques minutes? Quel changement d état se produit-il dans le bécher? Au cours de changement d état, suivre l évolution de la température. Noter cette température : θ = Que constatez-vous lors de ce changement d état? 1L : Cuisine et changements d état 1/8

2 Synthèse : Complète les phrases suivantes : L eau distillée est un pur. Sa et sa se produisent à une température, cette température est de : θ =. Cette température s appelle : Température de : on la note θ s (ou température de notée θ f ). Activité.3 : Réaliser l expérience suivante : Plonger la sonde thermométrique dans un ballon contenant de l eau distillée, laisser stabiliser la température et la noter : Eau distillée Chauffe-ballon Allumer le chauffe-ballon, et régler le thermostat au maximum. Suivre l évolution de la température pendant le chauffage. Quand l eau entre en ébullition, noter la température : θ =. Quel changement d état se produit-il dans le ballon? Suivre l évolution de la température pendant ce changement d état. Que constatez-vous? Synthèse : Complète les phrases suivantes : L eau distillée est un pur. Sa se produisent à une température, cette température est de : θ =. Cette température s appelle : Température de (ou température ) : on la note θ éb. 3.2 : Généralisation : Complète la phrase suivante : Le changement d état d un corps se fait à température. 3.3 : Changement d état d un mélange Réaliser l expérience suivante : Plonger une sonde thermométrique dans un mélange de glace pilée (2/3), d eau distillée et de gros sel (1/3). Suivre l évolution de la température du mélange. Que deviennent les morceaux de glace pilée au cours du temps? Et le sel? Attendre la stabilisation de la température, et la noter : θ = Observer les parois du bécher, que constatez-vous? Sonde thermométrique Glace pilée (2/3) Eau distillée Sel (1/3) 1L : Cuisine et changements d état 2/8

3 Synthèse : Complète les phrases suivantes : La glace pilée et le gros sel forme un. Au cours de la fusion de ce la température ne pas. 3.4 : Généralisation : Complète la phrase suivante : Le changement d état d un ne se fait à température. II. Changement d état et pression : Activité.1 : Expérience au bureau (Le bouillon de Franklin) Peut-on faire bouillir de l eau grâce à de la glace? La réponse semble évidente : Non. L expérience du bouillon de Franklin démontre le contraire : on porte à ébullition de l eau distillée dans un ballon, et on note la température d ébullition, sous pression atmosphérique (θ = ). Quand l eau bout fort, on arrête le chauffage, et on ferme le ballon. On attend quelques minutes, on relève la température (θ = ), puis on place de la glace à l extérieur du ballon. Chauffe-ballon Eau distillée Glace Que constatez- vous? Quand on applique la glace sur la ballon, la vapeur d eau à l intérieur du ballon subit un changement d état. Lequel? Expliquer. Ce changement d état entraîne une baisse de la pression à l intérieur du ballon. Expliquer pourquoi l ébullition de l eau reprend, alors que la température est inférieure à 100. En altitude, la pression atmosphérique diminue, que devient alors la température d ébullition de l eau pure? Synthèse : Complète les phrases suivantes : L ébullition de l eau pure de la. Quand la diminue, la température d ébullition de l eau, et inversement. A pression atmosphérique normale, la température d ébullition de l eau pure est égale à θ éb = Activité.2 : La température et la pression sont mesurées dans une cocotte minute contenant de l eau pure, placée sur une plaque électrique, La soupape de sécurité étant mise. La rotation de la soupape commence à t = 200 s. 1L : Cuisine et changements d état 3/8

4 On obtient les deux graphiques θ = f(t) et P = f(t) suivants : Température θ () Pression P (x10 3 hpa) : Pression P : Température θ Temps (s) Variation de la température et de la pression dans une cocotte minute lors de l ébullition de l eau Comment évolue la température de l eau au cours de l ébullition? Quelle est la valeur de cette température d ébullition θ éb? Et sous quelle pression P? Complète la phrase suivante : Dans une cocotte minute l eau entre en à une température à 100, car la pression à l intérieure est à la pression. Application : Cuisson des aliments L ébullition (apparition des bulles) est une vaporisation interne d un liquide, alors que l évaporation est une vaporisation en surface. Certains aliments sont cuits dans l eau en ébullition. Dans une cocotte minute comme dans un autocuiseur, la cuisson sous pression des aliments est plus courte, car la température est plus haute. III. Changement d états et échange de chaleur 1. Evaporation : Activité Appliquons un coton imbibé d éther sur le réservoir d un thermomètre. Notons la modification de température. De même si l on enveloppe une bouteille avec du papier mouillé et si l on provoque l évaporation de l eau, il se produit une baisse de température du liquide contenu dans la bouteille. Ce phénomène est général : tout système siège d une vaporisation reçoit de l énergie du milieu extérieur en contact, la température de ce milieu s abaisse. 1L : Cuisine et changements d état 4/8

5 2. Sublimation : Le dioxyde de carbone solide, appelé carboglace peut être conservé sous forme de sticks dans un container de polystyrène. Sa température est alors, sous pression ordinaire de 78,5. Mettons dans un bécher un petit volume de carboglace. Celle-ci se transforme en dioxyde de carbone vapeur. Cette transformation est appelée une sublimation. Des expériences complémentaires montrent que le système siège d une sublimation reçoit de l énergie de la part du milieu extérieur en contact avec lui. 3. Fusion : Toute fusion nécessite de la chaleur qui provient du milieu extérieur. Le changement d état solide/liquide du système, provoque donc un refroidissement du milieu extérieur en contact avec le système. IV. Techniques de conservation utilisant des changements d état 1. Réfrigération et congélation : Sur un catalogue de vente par correspondance on peut lire le texte suivant sur «le langage des étoiles». Pas d étoile (0) : sert uniquement à la production de glaçons. Une étoile (* : - 6) : permet la conservation des surgelés pendant 2 ou 3 jours. Deux étoiles (** : -12) : production de glaçons et conservation de produits surgelés pendant 2 à 3 semaines. Trois étoiles (*** : -18) : conservation des produits surgelés jusqu à la date optimale de conservation. Attention! Ces appareils ne peuvent pas servir à la congélation. Quatre étoiles (**** : -18) : permet la conservation des produits surgelés jusqu à la date optimale de conservation et la congélation domestique des aliments. Activité Indiquer si les affirmations suivantes sont vraies (V) ou fausses (F). a) Un appareil qui permet d abaisser la température à 18 peut servir à congeler des aliments : c est un congélateur. b) Un réfrigérateur permet toujours la conservation des surgelés. c) Un congélateur conserve les surgelés jusqu à leur date optimale de conservation. 2. Comment le réfrigérateur produit du froid? Voir schéma ci-dessous Un fluide circule dans circuit étanche (depuis 1996 ce fluide ne peut pas être un C.F.C (chlorofluorocarbone) car on soupçonne fortement ce type de composé organique d attaquer la couche d ozone). A l intérieur du réfrigérateur le fluide arrive sous forme d un liquide à basse pression. La température d ébullition de ce liquide est donc basse (-6) par exemple. Dans l évaporateur le fluide va passer de l état liquide à l état vapeur en absorbant de l énergie contenue dans l armoire frigorifique : les aliments se refroidissent. Dans le compresseur, alimenté par un moteur électrique, le gaz est comprimé. Sa pression augmente ainsi que sa température d ébullition qui peut par exemple devenir égale à 30. Dans le condenseur il se produit une liquéfaction, c est à dire une transformation du gaz en liquide ce qui libère l énergie dans le milieu extérieur. Dans le détendeur la pression du liquide diminue et le cycle recommence. Energie électrique Compresseur Energie Evaporateur Milieu extérieur Condensateur Energie Intérieur du réfrigérateur Fluide Détendeur Fluide 1L : Cuisine et changements d état 5/8

6 3. La lyophilisation : La lyophilisation ou séchage à froid, est un procédé permettant de retirer l eau d un produit afin de faciliter sa conservation. La lyophilisation utilise un principe physique simple appelé la sublimation. C est le passage direct d un élément de l état solide à l état gazeux sans passer par l état liquide. Dans le cas où l on désire retirer l eau des aliments l opération de lyophilisation consiste à : congeler les aliments en les portant à 40, l eau se transforme en glace soumettre l aliment à un vide partiel (pression inférieure à 6 mbar) et augmenter légèrement sa température (jusqu à 25), la glace est alors sublimée sous forme de vapeur d eau récupérer cette vapeur d eau lorsque toute la glace a disparu, laisser sécher à une température de pendant 2 à 6 heures ce qui permet d enlever l eau qui n était pas congelée. La lyophilisation est une technique intéressante car elle permet de conserver une grande partie des qualités des produits fragiles (médicaments, cosmétiques ). C est une technique coûteuse en énergie, elle est peu employée pour les aliments sauf pour le café et les aliments pour astronautes. V. Ce dont tu dois être capable : Reconnaître et nommer les changements d état d un corps pur. Distinguer ébullition et évaporation. Savoir que la température de changement d état d un corps pur dépend de la pression et qu elle est constante à pression constante. Savoir que la température d ébullition d un corps pur augmente avec la pression et inversement. Savoir que l évaporation et la fusion absorbent de l énergie sous forme thermique, ce qui se traduit par un refroidissement local, la solidification en libère. 1L : Cuisine et changements d état 6/8

7 1L : Cuisine et changements d état Exercices d application Exercice.1 : a) Qu est-ce que la sublimation? L ébullition? L évaporation? b) Quels changements d état refroidissent leur environnement? Pourquoi? c) La pression a-t-elle une influence sur la température de changement d état? d) Décrire le principe de la lyophilisation puis de l autocuiseur. Exercice.2 : On réalise des expériences, sous pression atmosphérique, pour comparer la température de fusion de la glace et d un mélange réfrigérant composé, en proportions massiques, de 2/3 de glace et de 1/3 de sel. Expérience.1 : On place de la glace fondante dans un bécher et on mesure la température. Celle-ci se stabilise à 0. Expérience.2 : On place un mélange réfrigérant dans un bécher. On observe que la glace fond, le sel se dissout, le mélange devient complètement liquide. Les parois extérieures du bécher se couvrent de givre. On mesure température du mélange, on trouve 15. a) Le résultat de l expérience.1 était-il prévisible? b) A 15, dans quel état physique est l eau du mélange réfrigérant? Comparer la température de fusion de la glace pure à celle du mélange glace-sel de l expérience.2. c) Quels sont les deux systèmes qui échangent de l énergie dans l expérience.2? Pourquoi les parois extérieures du bécher se couvrent-elles de givre? d) Pourquoi l hiver répand-on du sel sur les routes verglacées? Exercice.3 : Dans certains pays du bassin méditerranéen, on fabrique des poteries non vernies, poreuses qui sont utilisées pour rafraîchir l eau. Pour comprendre ce phénomène, on réalise l expérience suivante : On enveloppe, avec un tissu trempé d eau, une bouteille remplie d une boisson et munie d une sonde thermométrique. On ventile l ensemble, on observe que la température de la boisson diminue. a) Avec quels systèmes le tissu trempé d eau échange-t-il de l énergie thermique? b) Quel est le changement d état subi par l eau du tissu? Pourquoi a-t-on ventilé l ensemble? c) Qu indique la baisse de température de la boisson contenue dans la bouteille? d) Expliquer alors comment une poterie poreuse permet de refroidir l eau. Exercice.4 : L être humain a toujours séché les aliments. Dès la plus haute Antiquité, des grains, des fruits, des viandes, des poissons ont été séchés au soleil (dessiccation). le principe de la lyophilisation, ou séchage à froid, consiste en une congélation du produit, une mise sous vide, puis une sublimation de la glace, et une récupération de la vapeur d eau formée. Le produit obtenu est alors sec. La lyophilisation comporte plusieurs avantages par rapport aux autres procédés de séchage ou de conservation, à part son coût élevée en dépense d énergie : Les caractéristiques organoleptiques (goût, odeur, couleur) des aliments sont conservées. Les aliments lyophilisés n ayant pas besoin d être conservés au froid, leur coût d entreposage et de transport sont diminués. Les aliments lyophilisés sont plus légers et moins encombrants. Leur utilisation est très simple, car ils se réhydratent facilement. a) Quel sont les changements d état qui interviennent lors d une lyophilisation? Dans quelles conditions de température et de pression ont-ils lieu? b) Enoncer trois raisons en faveur de l utilisation des aliments lyophilisés plutôt que frais. d) Cette technique est-elle employée pour beaucoup d aliments? Pourquoi? c) Comparer les techniques de dessiccation et lyophilisation. d) Donner des exemples d aliments lyophilisés? 1L : Cuisine et changements d état 7/8

8 Exercice.5 : Pour chaque situation qui suit, indiquer le changement d état subi par l eau : a) On fait sécher du linge à l air libre. b) Après une douche bien chaude, de la buée se forme sur le miroir de la salle de bains. c) L hiver, du verglas se forme sur les routes. d) des bulles se apparaissent dans l eau quand on la fait chauffer. e) On congèle une soupe. f) On place une bouteille d eau au réfrigérateur. g) On transforme la glace d un aliment congelé en vapeur d eau sous basse pression, lors d une lyophilisation. Exercice.6 : Au niveau de la mer, l eau bout à 100. En haut du Mont Blanc (4 807 m), elle bout à 85. En haut du Mont Everest (8 848 m), elle bout à 72. Dans l espace, à 50 km d altitude, l eau bouillerait à 20. a) Qu est-ce qu une ébullition? Quelle est la différence avec l évaporation? b) Comment varie la pression en fonction de l altitude. c) Comment varie la température d ébullition de l eau en fonction de la pression? d) Pour un même résultat, la durée de cuisson d un œuf à la coque en altitude est-il plus longue, ou plus courte qu au niveau de la mer? Pourquoi? e) Comment peut-on obtenir de l eau encore liquide à 95 en haut du Mont Blanc? Exercice.7 : La cocotte minute est une <<anti-montagne>>. Dans une cocotte minute l eau qui s évapore en début de cuisson augmente progressivement la pression dans la cocotte, de sorte que les molécules d eau sortent plus difficilement du liquide : la température d ébullition de l eau est ainsi augmentée. En pratique, les cocottes actuelles sont conçues pour que l eau y bouille à environ 130. D après Hervé This, Les secrets de la casserole, a) Pourquoi la température d ébullition de l eau est-elle supérieure à 100 dans une cocotte minute? b) Obtiendrait-on le même résultat si on ne fermait pas la soupape de la cocotte? c) Quels sont les avantages d une cuisson à la cocotte minute? Exercice.8 : Les aliments (légumes, viandes ) peuvent être cuits au contact d un liquide (eau, bouillon, vin), sous pression, comme dans les autocuiseurs ou à pression ambiante, comme dans une simple casserole. Dans l autocuiseur, où ils sont en contact avec de l eau dans la quelle les sels minéraux et les vitamines qu ils contiennent peuvent se dissoudre, cette cuisson est rapide. En effet, elle s effectue à une température supérieure à 100. Cependant, il faut bien surveiller le temps des cuissons, sinon les aliments peuvent perdre leurs qualités nutritionnelles. Ils peuvent aussi être cuits à la vapeur, c est une variante de la cuisson à l eau, à ceci près, il n y a aucun contact avec le liquide. Les aliments sont posés sur un tamis, au dessus liquide chauffé, qui produit de la vapeur. Les aliments cuisent dans une atmosphère saturée de vapeur d eau, à une température égale ou supérieure à 100, selon que la cuisson se fait sous pression ou pas. Ce mode de cuisson respecte bien les qualités nutritionnelles des aliments, mais dans l ensemble les temps de cuisson sont assez longs, surtout si la cuisson se fait à pression ambiante. a) Quel est le changement d état de l eau qui intervient dans ces modes de cuisson? b) A pression ambiante, dans quel état physique se trouve l eau à une température de 95? de 110? c) Pourquoi, dans un autocuiseur, l eau demeure-t-elle liquide à une température supérieure à 100? d) Quel est le principal intérêt d une cuisson à la vapeur? Citer un inconvénient? e) Quel est le gros avantage de la cuisson à l autocuiseur? Citer un inconvénient. 1L : Cuisine et changements d état 8/8