La chaleur et les changements d'état

1. La fusion.

2. La solidification.

3. La liquéfaction.

4. La vaporisation, ici sous forme d'évaporation.

1. Chauffer.

2. Refroidir.

3. Chauffer.

4. Refroidir.

1. Vrai.

2. Faux. La température se lit sur un thermomètre, la chaleur est une énergie qui se transfère.

3. Faux. Elle reste bloquée à $0$ °C : c'est le palier.

4. Vrai. $0$ °C dans les deux sens.

1. $0$ °C.

2. $100$ °C.

3. $0$ °C, la même que la fusion.

1. L'évaporation.

2. L'ébullition.

3. L'évaporation : elle se produit à toute température, simplement plus lentement quand il fait froid.

1. $0$ °C.

2. $11-5=6$ minutes.

3. Entièrement solide : on est avant le palier.

1. $80$ g.

2. Un changement d'état ne crée ni ne détruit aucune particule : leur nombre est constant, donc la masse aussi.

1. De vapeur d'eau, pas d'air.

2. Dans toute la masse du liquide, jusqu'au fond.

3. De la buée : la vapeur, invisible, s'est liquéfiée au contact de l'air froid.

1. Le réservoir doit être au milieu du contenu, sans toucher ni le fond ni les parois : sinon il mesure la température du verre.

2. Il faut attendre que la colonne se stabilise.

3. Il faut lire à hauteur des yeux.

1. L'allumette.

2. La baignoire, de très loin.

3. Une température élevée ne signifie pas une grande quantité de chaleur : ce sont deux grandeurs différentes.

1. Le corps change d'état : le solide et le liquide coexistent dans le récipient.

2. Elle sert à changer l'état, c'est-à-dire à arracher les particules à leurs voisines, et non à augmenter leur agitation. Tant que la transformation n'est pas terminée, la température ne peut pas varier.

3. $80$ °C, la valeur du palier.

1. Le mercure est liquide ($20>-39$) ; l'aluminium et le fer sont solides.

2. Le mercure, qui est d'ailleurs déjà liquide.

3. Non. La casserole fondrait bien avant le fer, puisque $660$ °C est très inférieur à $1535$ °C. Il faut un creuset dont la température de fusion dépasse celle du métal à fondre.

1. La solidification.

2. Non, la bouteille était fermée : rien n'est entré ni sorti.

3. L'eau augmente de volume en gelant, parce que ses particules s'ordonnent selon un empilement plus aéré. La bouteille étant pleine et fermée, ce volume supplémentaire n'a nulle part où aller : la paroi cède.

1. La vaporisation : l'eau est passée à l'état gazeux.

2. L'évaporation, qui se produit à toute température et seulement à la surface libre. L'ébullition exigerait $100$ °C.

3. Le vent emporte la vapeur d'eau qui vient de se former au-dessus du tissu. L'air au contact du linge reste donc sec, et l'évaporation peut se poursuivre au lieu de ralentir.

1. Probablement oui : les deux fondent à la même température, ce qui est la caractéristique du corps.

2. La quantité de corps. Il y a environ deux fois plus de matière dans l'expérience B, donc il faut deux fois plus de chaleur, donc deux fois plus de temps, pour tout faire fondre.

3. La hauteur du palier renseigne sur la nature du corps : c'est sa température de fusion. La durée renseigne sur la quantité de matière et sur la puissance du chauffage, pas sur la nature du corps.

1. Parce que la pression atmosphérique est plus faible en altitude, et que la température d'ébullition dépend de la pression.

2. Moins vite : l'eau y bout plus tôt, donc à une température plus basse, donc elle cuit moins efficacement. On peut y faire bouillir l'eau plus rapidement, mais on y cuit plus lentement.

3. La pression y est plus élevée que la pression atmosphérique, donc l'eau y bout vers $118$ °C. La cuisson est alors nettement plus rapide.

1. La sublimation : le passage direct du solide au gazeux.

2. Non, et c'est ce qui définit la sublimation : la neige est passée directement à l'état de vapeur d'eau.

3. Le linge étendu qui sèche par temps de gel, la naphtaline qui disparaît d'une armoire, ou la neige carbonique qui fume sans laisser de flaque.

1. D'une vaporisation, puisque le corps était liquide avant le palier.

2. $78$ °C.

3. Non : l'eau bout à $100$ °C sous la pression atmosphérique normale. Une valeur de $78$ °C correspond plutôt à l'alcool éthylique. La température de changement d'état est une caractéristique du corps, donc elle permet de l'identifier.

1. Chauffer augmente l'agitation des particules. Au-delà d'un certain seuil, elles ne tiennent plus dans l'empilement ordonné du solide : l'ordre se défait et le corps devient liquide.

2. Parce que la chaleur reçue sert à arracher les particules les unes aux autres et non à les agiter plus vite. Or c'est la vitesse d'agitation que mesure la température : tant que l'énergie sert à défaire l'édifice, la température ne peut pas monter.

3. Parce que les particules d'un gaz sont très éloignées les unes des autres, alors que celles d'un liquide se touchent. Passer de l'une à l'autre disposition demande énormément plus de place, à nombre de particules identique.

1. De la vapeur d'eau contenue dans l'air.

2. Une condensation à l'état solide : la vapeur est passée directement de l'état gazeux à l'état solide, sans passer par le liquide.

3. La rosée est une liquéfaction : la vapeur y devient liquide, parce que la surface est froide mais reste au-dessus de $0$ °C. Le givre se forme quand la surface est sous $0$ °C.

1. Deux paliers.

2. À $0$ °C, la fusion, et à $100$ °C, la vaporisation.

3. De $-20$ à $0$ °C : glace solide qui se réchauffe. À $0$ °C : glace et eau, palier de fusion. De $0$ à $100$ °C : eau liquide qui se réchauffe. À $100$ °C : eau et vapeur, palier de vaporisation. De $100$ à $120$ °C : vapeur d'eau qui se réchauffe.

1. Du corps le plus chaud vers le plus froid, donc du jus vers les glaçons.

2. Parce qu'elle cède de la chaleur aux glaçons. Cette chaleur sert d'abord à les faire fondre, sans que leur température monte : c'est le palier de fusion.

3. Parce qu'une eau glacée qui se réchauffe se contente d'élever sa température, alors qu'un glaçon absorbe en plus toute la chaleur nécessaire à sa fusion, à température constante. À masse égale, la glace prend donc bien plus de chaleur à la boisson que de l'eau froide.

1. Le palier net est la signature d'un corps pur. Un mélange ne présente pas de palier horizontal : sa température varie pendant le changement d'état.

2. En traçant la courbe de solidification, ou celle de fusion. Un palier parfaitement horizontal à $0$ °C signe une eau pure ; l'absence de palier, ou un palier situé plus bas, signale la présence d'autre chose. C'est le critère du chapitre suivant.

3. Parce que le sel abaisse la température de solidification de l'eau. L'eau salée reste liquide en dessous de $0$ °C, donc la route ne verglace pas tant que la température ne descend pas trop bas.

1. Le palier va de la $4^{\text{e}}$ à la ${10}^{\text{e}}$ minute, soit six minutes, puisque la valeur $50$ est relevée quatre fois de suite à deux minutes d'intervalle.

2. $50$ °C.

3. Avant le palier : $20\to 35\to 50$, soit $+15$ °C toutes les deux minutes. Après : $50\to 65\to 80$, soit également $+15$ °C. La montée est bien régulière et identique de part et d'autre.

4. Les deux montées seraient deux fois plus rapides et le palier deux fois plus court, mais il resterait à la même hauteur, $50$ °C. La puissance du chauffage change la durée, jamais la température de fusion.

1. On continue au contraire de chauffer pendant tout le palier. La température ne monte pas parce que la chaleur reçue sert à changer l'état, en arrachant les particules à leurs voisines, et non à augmenter leur agitation.

2. Ce sont des bulles de vapeur d'eau, formées dans toute la masse du liquide. L'air dissous donne quelques petites bulles bien avant l'ébullition, mais les grosses bulles qui montent en continu sont de l'eau à l'état gazeux.

3. La vapeur d'eau est invisible. Le nuage blanc est de la buée, c'est-à-dire des gouttelettes d'eau liquide formées quand la vapeur rencontre l'air froid.

2. Les deux dernières erreurs viennent de la même habitude : croire que ce qu'on voit est le gaz. Or un gaz est incolore et invisible ; tout ce qui est blanc et opaque au-dessus d'une casserole est déjà redevenu liquide.

1. Glace : $V={\displaystyle \frac{180}{0,92}}\approx 195,7$ cm${}^3$. Eau : $V={\displaystyle \frac{180}{1,00}}=180$ cm${}^3$.

2. La masse s'est conservée, $180$ g avant comme après. Le volume a diminué d'environ $15,7$ cm${}^3$, soit près de $8$ %.

3. Le volume aurait augmenté de la même quantité. Dans un flacon plein et fermé, ce volume supplémentaire n'a nulle part où aller : la paroi aurait cédé. C'est exactement ce qui arrive à une bouteille oubliée au congélateur, et c'est aussi ce qui fait éclater les roches en montagne.

1. $0$ °C pour le premier, $100$ °C pour le second.

2. Parce qu'un changement d'état de corps pur se produit à une température fixe et reproductible : n'importe qui, n'importe où, obtient exactement la même valeur. Une température quelconque, elle, dépend des conditions du jour et ne peut servir de référence.

3. Parce que la température d'ébullition dépend de la pression. En altitude, l'eau bout en dessous de $100$ °C, donc le second repère serait faux. La fusion, elle, est bien moins sensible à la pression : c'est le repère le plus robuste des deux.

1. Oui, tous deux à $0$ °C : la température de fusion est une caractéristique du corps et ne dépend pas de la quantité.

2. Non. Il faut plus de chaleur pour faire fondre plus de glace, donc plus de temps à puissance de chauffage égale.

3. La durée est proportionnelle à la masse : $4\times {\displaystyle \frac{250}{100}}=10$ minutes.

4. On suppose que les deux dispositifs fournissent la chaleur à la même vitesse, et que toute la chaleur fournie sert effectivement à faire fondre la glace, sans pertes vers l'extérieur. Dans une salle plus froide, une partie de la chaleur s'échapperait et le palier serait plus long que prévu.

1. D'abord une vaporisation, sous forme d'ébullition, puis une liquéfaction au contact de la paroi refroidie.

2. Non, à aucun moment. Le flacon est fermé : rien n'entre ni ne sort, donc la masse est constante du début à la fin, quel que soit l'état de l'eau à l'intérieur.

3. Partie sous forme de gouttes redescendues au fond, partie sous forme de gouttelettes accrochées à la paroi froide, partie sous forme de vapeur invisible dans l'espace du flacon. Toute l'eau du départ est toujours là.

4. C'est exactement le cycle de l'eau en modèle réduit : l'évaporation à la surface des mers correspond au chauffage, la condensation en altitude au linge glacé, et les gouttes qui retombent aux précipitations. La quantité totale d'eau ne varie ni dans le flacon ni sur la Terre.

1. De $130$ à $100$ °C : la vapeur se refroidit, la température baisse. À $100$ °C : palier, la vapeur devient liquide. De $100$ à $0$ °C : l'eau liquide se refroidit. À $0$ °C : palier, l'eau devient glace. De $0$ à $-20$ °C : la glace se refroidit.

2. Deux paliers, à $100$ °C et à $0$ °C.

3. La liquéfaction à $100$ °C, puis la solidification à $0$ °C.

4. Oui, exactement aux mêmes températures. Un corps pur fond et se solidifie à la même valeur, et il bout et se liquéfie à la même valeur : seul le sens du transfert de chaleur change. C'est d'ailleurs pourquoi ces températures peuvent servir de repères pour graduer un thermomètre.

5. La masse ne varie pas : le récipient est fermé et un changement d'état ne crée ni ne détruit de particules. Le volume, lui, varie énormément : la vapeur occupe une place sans commune mesure avec celle du liquide, et la glace occupe un peu plus de place que l'eau liquide dont elle provient.