II. Etude de la fusion de l’eau

Chapitre 6 – Etude des changements d’état de l’eau

Le but ici va être de comprendre un peu mieux ce qui se passe au cours des changements d’état dont on a parlé à la fin du chapitre précédent et aussi d’étudier comment ils ont lieu.

Pour chaque changement d’état, on va étudier des propriétés bien précises, mais les conclusions qu’on va en tirer resteront vraies pour tous les changements d’états et de tous les corps purs, pas seulement pour l’eau.

I. Evolution de la température lors de la solidification de l’eau

2) Observations :

Temps (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Température de l’eau (°C) 20 13 10 5 3 1,5 1 0 0 0 0 0 0 0 -1.5 -2 -5 -7 -10

On voit l’apparition d’un palier de température à 0 °C au cours de la solidification de l’eau.

3) Conclusion

La température de solidification (et de fusion) de l’eau est de 0 °C sous pression normale (qui est la pression de l’air qui nous entoure. Si on comprime l’air très fort, cette température peut changer.)

Remarque :

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0 5 10 15 20

Température (°C)

Temps (min)

Solidification de l'eau

GAZ

SOLIDE LIQUIDE

FUSION VAPORISATION

LIQUEFACTION SOLIDIFICATION

SOLIDE LIQUIDE LIQUIDE ET

SOLIDE La 1^ère goutte d’eau

devient solide.

La dernière goutte d’eau devient solide.

Grace à la glace salée, l’eau liquide dans le tube à essai va geler, c’est-à-dire se solidifier.

On démarre le chronomètre au moment où on introduit le tube dans la glace.

On relève alors la température de l’eau toutes les minutes.

La Température est la variable dépendante (ce que j’observe).

Le temps est la variable indépendante (ce qui évolue

« tout seul »).

thermomètre

Eau distillée liquide Glace salée pilée

Fusion de l’eau.

Solidification de l’eau ? NON ! Car le palier de température n’est pas atteint à 0 °C. (A voir en exercices.)

II. Etude de la fusion de l’eau

1) Le volume varie-t-il lors de la fusion de l’eau ? Expérience :

Observation : Après fusion, le niveau d’eau liquide dans la bouteille est en dessous du niveau de glace repéré.

Conclusion : Lors de la fusion de l’eau, le volume (place occupée par l’eau) de l’eau diminue. Lors de la solidification de l’eau, le volume de l’eau augmente.

Problèmes : En hiver, les canalisations d’eau non chauffées peuvent éclater.

Au cours d’un changement d’état, le volume varie.

2) La Masse varie-t-elle ?

Expérience :

Observation : 𝑚_{𝑎𝑣𝑎𝑛𝑡} = 𝑚_{𝑎𝑝𝑟è𝑠}

Conclusion : Au cours d’un changement d’état, la masse se conserve.

La masse, on a dit que c’est une grandeur qui caractérise la quantité de matière, et la matière, au cours du changement d’état, il y en a toujours la même quantité, donc c’est logique que la masse se conserve.

3) Différence entre dissolution et fusion

Rappelez-vous, au chapitre 4, quand on dissolvait du sel dans l’eau, il disparaissait. Or, quand un glaçon fond dans de l’eau liquide, il disparaît également. Est-ce la même chose ?

Expérience :

Observation : Que contient le sachet (A) après quelques minutes ? Il contient de l’eau liquide, le glaçon a fondu.

Que contient le sachet (B) après quelques minutes ? Il contient toujours du sel solide.

Conclusion : Quand le sel se dissout, est-ce qu’il fond ? Non, le sel ne fond pas, sinon il se comporterait comme le glaçon. Lors de la dissolution, le sel se décompose en particules très petites invisibles à l’œil nu, mais toujours solides, alors que la fusion est le passage de l’état solide à l’état liquide.

(A) (B)

glaçon eau

sel eau fusion

Eau liquide Repère du

niveau d’eau

Glace

fusion

Eau liquide Glace

III. Evolution de la température lors de la vaporisation de l’eau

Jusqu’à présent, on n’a étudié que des changements d’état de l’eau pure. J’aimerais ici également en profiter pour étudier le changement d’état d’un mélange.

1) Schéma et description de l’expérience

Proposez un protocole expérimental pour étudier l’évolution de la température au cours de la vaporisation de l’eau.

Introduire de l’eau dans un bécher, ainsi qu’un thermomètre.

Poser le bécher sur une plaque chauffante et faire chauffer l’eau.

Relever la température toutes les minutes jusqu’à ce qu’une partie de l’eau se soit vaporisée.

Proposez un schéma décrivant votre expérience.

On allume la plaque chauffante puis on démarre le chronomètre. On mesure la température toutes les minutes.

On réalise la même expérience avec de l’eau salée, pour comparer.

2) Observations Mesures pour l’eau :

Temps (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Température

de l’eau (°C) 20 32 52 70 86 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 105 118 Mesures pour l’eau salée :

Temps (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Température

de l’eau (°C) 21 20 25 33 42 51 64 75 84 95 101 104 106 108 110 111 112

3) Conclusion

La température de vaporisation (et de liquéfaction) de l’eau est de 100 °C sous pression normale.

Un palier de température apparaît lors du changement d’état d’un corps pur, mais pas pour un mélange.

Vous vous rappelez la distillation ? Et bien elle fonctionne car certains corps ont leur palier à une température plus basse que d’autres.

On va récapituler pour finir tout ce qu’on a vu sur les changements d’état.

0 20 40 60 80 100 120 140

0 5 10 15 20

Température (°C)

Temps (min)

Vaporisation de l'eau

0 20 40 60 80 100 120

0 5 10 15 20

Température (°C)

Temps (min)

Vaporisation de l'eau salée Eau

Plaque chauffante

IV. Généralités sur les changements d’état

Lors d’un changement d’état, la masse se conserve et le volume varie.

Un palier de température apparaît lors du changement d’état d’un corps pur.

2) Caractéristiques des changements d’état de l’eau

Exemples de liquéfactions : Buée ; fumée au dessus d’une casserole d’eau bouillante.

3) Echanges d’énergie

Parlons d’énergie. Qu’est-ce que l’énergie ? L’énergie, en physique, c’est ce qui se passe. Plus on court, et plus on a d’énergie par rapport au moment où on marche, par exemple. Et plus on court, plus on a chaud ou froid ? Chaud : la chaleur est une forme d’énergie. Quand la température de l’eau augmente c’est qu’elle gagne de l’énergie.

L’augmentation de la température d’un corps pur nécessite un apport d’énergie.

Pour les changements d’état, c’est étrange. Pour la fusion de l’eau, par exemple, on chauffe tout le temps, mais on observe un palier de température, c'est-à-dire un moment où la température n’augmente pas. Pourtant, on chauffe tout le temps, donc on apporte de l’énergie. Mais cette énergie, où va-t-elle ? Et bien c’est cette énergie qui permet le changement d’état.

Les changements d’état d’un corps pur mettent en jeu des transferts d’énergie.

GAZ

SOLIDE LIQUIDE

FUSION VAPORISATION

LIQUEFACTION SOLIDIFICATION

0 °C 100 °C

Fusion de l’eau

t (min) T (°C)

0 0

LIQUIDE ET SOLIDE

LIQUIDE SOLIDE

1^ère goutte liquide apparaît

Dernière goutte liquide apparaît

0 0

Solidification de l’eau LIQUIDE ET SOLIDE

LIQUIDE SOLIDE

1^er cristal solide apparaît

Dernier cristal solide apparaît

0 0

Vaporisation de l’eau

100

LIQUIDE ET GAZ

LIQUIDE GAZ

1^ère bulle de gaz apparaît

Dernière bulle de gaz

apparaît 0

0

Liquéfaction de l’eau

100

LIQUIDE ET GAZ

LIQUIDE GAZ

1^ère goutte liquide apparaît

Dernière goutte liquide apparaît