FICHE DE RÉVISION – Transformations physiques et énergie
(Niveau : Seconde)
Transformations Physiques et Énergie
Comprendre les changements d’état, les modéliser et calculer l’énergie nécessaire pour les provoquer.
Partie 1 : Qu’est-ce qu’une Transformation Physique ?
Une transformation physique est une modification de l’aspect ou de l’état physique d’une substance, sans modification de sa nature chimique. Les molécules restent les mêmes.
Les 3 types de transformations :
- Physique : Les molécules ne changent pas, elles s’organisent différemment (ex: la glace fond en eau liquide. C’est H₂O(s) qui devient H₂O(l)).
- Chimique : Les atomes se réarrangent pour former de nouvelles molécules (ex: le méthane brûle. CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O).
- Nucléaire : Les noyaux des atomes se modifient (ex: fission dans une centrale).
Modèle microscopique : Lors d’un changement d’état, les molécules (ex: H₂O) restent intactes. C’est leur agitation (température) et leur agencement (liaisons intermoléculaires) qui changent.
[Image of molecular states of water (solid, liquid, gas)]Partie 2 : Modéliser un Changement d’État
On modélise un changement d’état par une équation simple qui montre l’espèce chimique et son état (physique) avant et après.
Notations des états physiques :
- (s) pour solide
- (l) pour liquide
- (g) pour gaz
Les 6 changements d’état :
- Fusion (Solide → Liquide) : \( \text{H}_2\text{O(s)} \rightarrow \text{H}_2\text{O(l)} \)
- Solidification (Liquide → Solide) : \( \text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \text{H}_2\text{O(s)} \)
- Vaporisation (Liquide → Gaz) : \( \text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \text{H}_2\text{O(g)} \)
- Liquéfaction (Gaz → Liquide) : \( \text{H}_2\text{O(g)} \rightarrow \text{H}_2\text{O(l)} \)
- Sublimation (Solide → Gaz) : \( \text{CO}_2\text{(s)} \rightarrow \text{CO}_2\text{(g)} \) (ex: glace carbonique)
- Condensation (Gaz → Solide) : \( \text{H}_2\text{O(g)} \rightarrow \text{H}_2\text{O(s)} \) (ex: givre)
Ne confondez jamais ces deux termes !
- Fusion : C’est un changement d’état. Un corps pur passe de solide à liquide.
Ex: Un glaçon (H₂O solide) fond dans l’air et devient de l’eau liquide (H₂O liquide). - Dissolution : Ce n’est PAS un changement d’état. C’est l’action de mélanger un soluté (ex: du sel) dans un solvant (ex: de l’eau).
Ex: Un grain de sel (NaCl solide) se dissout dans l’eau. Il ne « fond » pas. Le résultat est un mélange (eau salée).
Partie 3 : Transferts Thermiques (Énergie)
Un changement d’état se fait à température constante (ex: l’eau pure fond à 0°C). Cependant, il faut fournir ou retirer de l’énergie (thermique) pour que le changement se produise.
Transformation Endothermique :
Le système (ex: le glaçon) absorbe de l’énergie (chaleur) du milieu extérieur. « Endo » = vers l’entrée.
Le milieu extérieur (l’air, votre main) refroidit.
Changements concernés : Fusion, Vaporisation, Sublimation.
Application : La transpiration. L’eau sur votre peau s’évapore (vaporisation). C’est endothermique : elle « pompe » la chaleur de votre corps pour le faire. C’est pour ça que transpirer vous refroidit.
Transformation Exothermique :
Le système (ex: la vapeur d’eau) libère de l’énergie (chaleur) vers le milieu extérieur. « Exo » = vers l’extérieur.
Le milieu extérieur (la vitre, l’air) chauffe.
Changements concernés : Solidification, Liquéfaction, Condensation.
Application : La formation de buée sur un miroir froid. La vapeur d’eau (gaz) se liquéfie sur le miroir. C’est exothermique : elle libère de la chaleur sur le miroir. (C’est aussi pour ça que les agriculteurs arrosent les bourgeons par nuit de gel : l’eau en gelant (solidification) libère de la chaleur et protège le bourgeon !).
Partie 4 : Calculer l’Énergie d’un Changement d’État
L’énergie \(Q\) transférée lors du changement d’état d’une masse \(m\) d’une espèce est proportionnelle à cette masse.
Formule de l’Énergie de Changement d’État : $$ Q = m \times L $$ Où :
- \(Q\) est l’énergie transférée (en Joules, J).
- \(m\) est la masse de l’espèce qui change d’état (en kilogrammes, kg).
- \(L\) est l’énergie massique (ou chaleur latente) de changement d’état (en J/kg).
L’énergie massique \(L\) est une constante propre à chaque espèce et à chaque type de changement (ex: \(L_{\text{fusion, eau}}\) est différente de \(L_{\text{vaporisation, eau}}\)).
Convention de signe :
Si le changement est endothermique (fusion, vaporisation), \(L > 0\) et \(Q > 0\) (le système reçoit de l’énergie).
Si le changement est exothermique (solidification, liquéfaction), \(L < 0\) et \(Q < 0\) (le système cède de l'énergie).
Par exemple : \(L_{\text{solidification}} = – L_{\text{fusion}}\).
L’énergie massique de fusion de l’eau est \(L_f = 334 \text{ kJ/kg}\) (soit 334 000 J/kg).
Quelle énergie \(Q\) faut-il pour faire fondre un bloc de glace de 500 g ?
1. Convertir la masse : \(m = 500 \text{ g} = 0,5 \text{ kg}\).
2. Appliquer la formule : \(Q = m \times L_f\)
\(Q = 0,5 \text{ kg} \times 334 \text{ kJ/kg} = 167 \text{ kJ}\).
Il faut fournir 167 000 Joules pour faire fondre 500g de glace.
Partie 5 : Entraînement (Exercices)
- Exercice 1 (Modélisation) : Écrire l’équation de la solidification de l’éthanol (alcool), dont la formule est C₂H₆O.
- Exercice 2 (Vocabulaire) : On met un morceau de sucre et un glaçon dans un verre d’eau tiède. Le sucre disparaît et le glaçon aussi. Identifier la transformation subie par le sucre et celle subie par le glaçon.
- Exercice 3 (Endo/Exo) : La formation de givre sur un pare-brise (passage de la vapeur d’eau de l’air à l’état solide) est-elle une transformation endothermique ou exothermique ? Justifier.
- Exercice 4 (Calcul) : L’énergie massique de vaporisation de l’eau est \(L_v = 2260 \text{ kJ/kg}\). Quelle masse d’eau (\(m\)) peut-on vaporiser (à 100°C) si on fournit une énergie \(Q = 5650 \text{ kJ}\) (l’équivalent d’une grosse plaque à induction pendant 1h) ?
Partie 6 : Corrections Détaillées
Correction Exercice 1 (Modélisation)
La solidification est le passage de l’état liquide (l) à l’état solide (s).
L’équation est donc : \( \text{C}_2\text{H}_6\text{O(l)} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_6\text{O(s)} \).
Correction Exercice 2 (Vocabulaire)
Le sucre (soluté) se mélange à l’eau (solvant) : il subit une dissolution.
Le glaçon (H₂O solide) passe à l’état liquide (H₂O liquide) à cause de la chaleur de l’eau : il subit une fusion.
Correction Exercice 3 (Endo/Exo)
Le givre est la condensation (ou sublimation inverse) de la vapeur d’eau (gaz) en glace (solide).
Ce passage G → S libère de l’énergie vers le milieu extérieur (le pare-brise).
C’est donc une transformation exothermique.
Correction Exercice 4 (Calcul)
On part de la formule \(Q = m \times L_v\).
On cherche la masse \(m\), donc on réarrange la formule : \(m = \frac{Q}{L_v}\).
1. Vérifier les unités : \(Q\) est en kJ et \(L_v\) est en kJ/kg. Les unités sont cohérentes, la masse \(m\) sera obtenue en kg.
2. Appliquer la formule :
\(m = \frac{5650 \text{ kJ}}{2260 \text{ kJ/kg}}\)
\(m = 2,5 \text{ kg}\).
On peut vaporiser 2,5 kg d’eau (soit 2,5 litres) avec cette énergie.
Besoin d'aide en Physique-chimie ?
Je propose des cours de remise à niveau en visio ou en présentiel