1 Qu'entend-on par agitation thermique? Quelle est la conséquence de l'agitation thermique à notre échelle? Il s'agit du mouvement propre des particules (atomes et/ou molécules). La rapidité de ces mouvements donne la température au niveau macroscopique. Plus les vibrations des particules sont grandes et plus la température est élevée. Quelle est la grandeur physique qui reflète l'agitation des particules? Il s'agit de la température. Pourquoi les corps se dilatent-ils lorsque leur température s'élève? 2 3 Si on chauffe un cristal, l'agitation thermique devient plus violente. L'amplitude des oscillations (distance d'oscillation) des particules augmente, si bien que le solide se dilate. a) Comment l'échelle des degrés Celsius a-t-elle été établie? b) Et l'échelle des Kelvins? c) Quelle relation y a-t-il entre les deux échelles? d) Existe-t-il une autre échelle de température utilisée aujourd'hui? Réponses : 4 a) Les points de référence de l'échelle Celsius ont été choisie arbitrairement : Il s'agit du point de fusion de la glace (par définition 0 C) et du point d'ébullition de l'eau sous une pression de 1 atm [1,01 bar] (par définition: 100 C). b) Si on refroidit constamment la matière, on doit atteindre un état dans lequel les particules sont pratiquement immobiles. C'est le cas à la température du zéro absolu, qui est la température la plus basse possible. Le zéro absolu se situe à 273 C qui correspond par définition à 0 K. c) L'échelle des degrés Kelvins (K) est un simple décalage de l'échelle des degrés Celsius de 273, pour faire coïncider le zéro absolu avec le zéro de l'échelle. Le point de fusion de la glace est alors à 273 K et l'ébullition de l'eau sous la pression de 1 atm à 373 K. d) Il s'agit de l'échelle des degrés Fahrenheit. Le point de fusion de l'eau est à 32 F et l'ébullition de l'eau à 212 F.
Pourquoi l'eau n'est-elle pas utilisée comme liquide thermométrique? 5 L'eau liquide se contracte de 0 à 4 C puis se dilate de 4 à 100 C. Il serait donc impossible de mesurer des températures proche de 4 C. Cette contraction de l'eau provient du fait que la masse volumique de l'eau augmente de 0 à 4 C pour être maximum à 4 C (ρ = 1000 kg/m 3 ), puis diminue lorsque la température augmente. La température de l'oxygène liquide vaut 183 C. Que vaut cette température en kelvins? La température vaut 90 K. 6 Que vaut 210 K en degrés Celsius? 7 La température vaut 63 C. 8 Le NaCI fond à 801 C alors que MgO fond à 2800 C. Dans quel cas les forces réticulaires sont-elles les plus grandes? Comment peut-on expliquer cette différence? Dans MgO, car son point de fusion est beaucoup plus élevé que celui de NaCl. Les plus grandes forces réticulaires sont une conséquence de la forte liaison ionique entre les ions doublement chargés de MgO (Mg 2+, O 2- ). Dans le sel de cuisine, ces forces sont plus petites, car il s'agit alors d'ions de charge unique (Na + et Cl - ). La force d'attraction électrostatique entre Mg 2+ et O 2- est environ 4 fois plus grande qu'entre Na + et Cl. 9 L'alcool éthylique bout à 78 C, alors que l'eau bout à 100 C. Dans quel cas les forces de cohésion sont-elles les plus grandes? Dans l'eau, car elle a le plus haut point d'ébullition. L'agitation thermique doit être intensifiée jusqu'à ce que l'ébullition commence. On donne toujours les points d'ébullition à la pression de 1,01 bar (1 atm), qui correspond environ à la pression atmosphérique au niveau de la mer. 10 Quelle similitude et quelle différence y a-t-il entre forces réticulaires et forces de cohésion? - 2 -
Similitude : ces forces maintiennent les particules ; c'est pourquoi les volumes des solides et des liquides sont déterminés. Différence : les forces réticulaires empêchent les particules de glisser les unes sur les autres ; c'est pourquoi seule la forme des solides est déterminée. Les forces de cohésion n'empêchent pas les particules de glisser les unes sur les autres ; c'est pourquoi un liquide est facilement déformable. 11 Considérons la forme et le volume. Dans quels états d'agrégation ces grandeurs sont-elles définies? Dans les solides, la forme et le volume sont définis. Dans les liquides, seul le volume est défini. Répondez par vrai ou faux : 12 a) La température absolue d'un corps reflète l'intensité de l'agitation de ses particules. b) La chaleur se mesure en degrés Celsius. c) On peut fournir de la chaleur à un corps, mais pas de la température. d) Il existe des thermomètres qui fonctionnent sans liquide. e) La température n'est pas une grandeur additive. f) La température d'une personne peut être de 105 F. Réponses : a) Vrai. L'agitation thermique est plus forte si la température augmente. b) Faux. Il s'agit de la température. La chaleur est une énergie et se mesure en Joules. c) Vrai. On ne peut fournir que de l'énergie. L'énergie fournie se transforme en fait en énergie cinétique des particules (= agitation thermique) et la température se modifie. d) Vrai. Il s'agit de thermomètres fonctionnant avec un thermocouple : deux métaux différents sont soudés ensemble. A la jonction, il apparaît une tension qui varie en fonction de la température. Il suffit ensuite de mesurer cette tension et de convertir la mesure en terme de température. e) Vrai. Lorsqu'on mélange 100 ml d'eau à 60 C avec 100 ml d'eau à 20 C, on ne peut pas additionner les deux températures. On n'obtient pas de l'eau à 80 C, mais bien à 40 C dans ce cas. f) Vrai. 105 F donne 40,55 C. C'est une température possible pour une personne avec une forte fièvre. - 3 -
Inscrivez dans un schéma les noms de tous les changements d'état. 13 Comment distinguer si on a affaire à un corps pur ou à un mélange? 14 En liquéfiant ou en vaporisant un corps, on voit si on a affaire à un mélange ou à un corps pur. Le comportement à la fusion. Un corps pur possède un point de fusion net, c'est-à-dire que le passage solide liquide a lieu à une température bien déterminée ou à l'intérieur d'un très court intervalle de température (1 à 2 C). En dessous du point de fusion, le corps pur est solide ; en dessus du point de fusion, il est liquide. Le point de fusion dépend naturellement de la grandeur des forces réticulaires. Plus les forces réticulaires sont grandes, plus le point de fusion est élevé. A une température inférieure au point de fusion, l'agitation thermique n'est pas capable de briser les forces réticulaires; en dessus du point de fusion, les forces réticulaires sont rompues; seules les forces de cohésion agissent alors. Le comportement à l'ébullition. Un corps pur possède un point d'ébullition constant, c'est-à-dire stable au cours du temps ; la température du liquide ne s'élève plus malgré un apport continu de chaleur, car les particules "chaudes" (celles qui ont une forte agitation thermique) s'échappent continuellement en vapeur. Le point d'ébullition est fortement dépendant de la pression. Au niveau de la mer (1,01 bar) l'eau bout à 100 C. Le point d'ébullition diminue de 1 C par 300 m d'altitude supplémentaire. Le point d'ébullition est une mesure indicative des forces de cohésion : plus elles sont fortes, plus le point d'ébullition est élevé. - 4 -
15 Pourquoi la diffusion s'effectue-t-elle beaucoup plus rapidement dans les gaz que dans les liquides? Parce que, dans les gaz, le libre parcours moyen, c'est-à-dire la distance moyenne qu'une particule de gaz parcourt d'un choc à un autre, est relativement grand. A pression normale, le volume propre des particules de gaz ne représente qu'environ un millième du volume total, c'est-à-dire qu'une particule de gaz trouve dans l'espace à trois dimensions un chemin en moyenne 10 fois plus grand que son diamètre. Dans un gaz, les particules effectuent un parcours désordonné en zigzag en raison des chocs avec les autres particules. Les particules de gaz frappant les parois du récipient sont cause de la pression du gaz qui est mesurable (pression = force par unité de surface). Si on chauffe le gaz alors qu'aucune modification du volume n'est possible, la pression du gaz augmente (pneu d'auto au soleil), car les particules du gaz frappent plus violemment et à une cadence accrue les parois du récipient (agitation thermique plus intense des particules de gaz). 16 Pourquoi une vapeur (gaz) se répand-elle beaucoup plus rapidement dans le vide que dans l'air? Parce que, dans le vide, les particules de gaz ne se heurtent pas à d'autres particules et peuvent ainsi se répandre sans obstacle. Dans le vide, les particules de gaz poursuivent leur "vol" en ligne droite jusqu'à ce qu'elles rebondissent sur les parois du récipient. Dans l'espace, les particules se déplacent aussi sans obstacle, car il est pratiquement sans matière (ultra-basse pression). Quelle est l'importance de la diffusion pour les organismes vivants? 17 La diffusion est importante pour les échanges d'eau (entrée et sortie à travers les parois cellulaires). 18 On plonge 2 kg de glace à -25 C dans 100 L d eau chaude à 53 C. Calculez la température finale du mélange. - 5 -
On voit facilement que toute la glace va fondre : en effet, il y a 50 fois moins de glace froide que d eau chaude. Donc, la glace va se réchauffer jusqu à 0 C, puis fondre, puis l eau va se réchauffer jusqu à la température finale. C est l eau chaude qui va fournir cette énergie en se refroidissant jusqu à la température finale. En résumé : Q 1 + Q 2 + Q 3 = Q 4 53 Q 4!T 3 T f Q 3!T 2 0 Q 2!T 1 25 Q 1 Il suffit de remplacer par les valeurs numériques et résoudre l équation. On trouve : m 1 c ΔT 1 + m 1 L f + m 1 c ΔT 2 = m 2 c ΔT 3 2 2060 25 + 2 3,3 10 5 + 2 4180 ΔT 2 = 100 4180 ΔT 3 2 2060 25 + 2 3,3 10 5 + 2 4180 (T f 0) = 100 4180 (53 T f ) 103000 + 660000 + 8360 T f = 418000 (53 T f ) 763000 + 8360 T f = 22154000 418000 T f 426360 T f = 21391000 T f = 50,17 C - 6 -
Corps purs, mélanges et séparation des mélanges Répondez aux questions ci-dessous : 19 a) Combien existe-t-il de corps purs simples? b) Comment appelle-t-on un mélange homogène constitué d un soluté et d un solvant? c) Les mélanges gazeux sont-ils homogènes ou hétérogènes? d) Les corps purs sont-ils homogènes ou hétérogènes? e) Qu est-ce qui caractérise les méthodes de séparation «physiques»? f) L air est-il un corps pur? g) Comment sépareriez-vous un mélange formé de sable, de sel, de sciure et de poudre de fer? h) Qu est-ce qu un aérosol? Donnez également un synonyme. i) Qu est-ce que des fumées? Donnez également un synonyme. j) Comment appelle-t-on un mélange hétérogène de 2 liquides, dont l un est en suspension dans le second? k) Qu est-ce qu un corps pur composé? Réponses : a) Environ 100. b) Une solution. c) Homogènes. d) Homogènes. e) Les particules ne sont pas modifiées. f) Non, c est un mélange. g) D abord on enlève la poudre de fer par un aimant. Ensuite, on ajoute de l eau : le sel se dissout, le sable reste au fond et la sciure flotte. On retire la sciure. Le sable est filtré et finalement on évapore l eau pour récupérer le sel. h) Il s agit de fines gouttelettes de liquide en suspension dans un gaz. Synonyme : brouillard. i) Il s agit de fines particules de solide en suspension dans un gaz. Synonyme : poussières. j) Une émulsion. k) Il s agit d un corps constitué de plusieurs éléments. - 7 -