Changements d’État de l’Eau

Changements d’État de l’Eau

Comprendre les Changements d’État de l’Eau

Nous allons étudier les changements d’état de l’eau. L’eau peut exister en trois états : solide (glace), liquide (eau) et gazeux (vapeur). Ces changements d’état sont accompagnés de variations d’énergie.

Données :

• La chaleur latente de fusion de la glace (passage de solide à liquide) est de 334 J/g.
• La chaleur latente de vaporisation de l’eau (passage de liquide à gaz) est de 2260 J/g.
• La masse d’eau utilisée dans cet exercice est de 100 g.

Questions :

1. Fusion de la Glace :
   • Calculez la quantité d’énergie nécessaire pour faire fondre complètement 100 g de glace à 0°C en eau à 0°C.
2. Vaporisation de l’Eau :
   • Après avoir fondu, cette même quantité d’eau est chauffée jusqu’à ce qu’elle se vaporise complètement. Calculez la quantité d’énergie nécessaire pour vaporiser complètement 100 g d’eau à 100°C en vapeur d’eau à 100°C.
3. Réflexion :
   • Comparez la quantité d’énergie nécessaire pour chacun des changements d’état (fusion et vaporisation) et discutez pourquoi l’une nécessite plus d’énergie que l’autre.
4. Application Réelle :
   • Expliquez comment ces concepts s’appliquent dans un processus quotidien comme la cuisson des aliments ou le cycle de l’eau dans la nature.

Correction : Changements d’État de l’Eau

1. Fusion de la Glace

Formule

\[Q_{\text{fusion}} = m \times L_f\]

En substituant les valeurs :
\[Q_{\text{fusion}} = 100\,\text{g} \times 334\,\frac{\text{J}}{\text{g}}\]

\[Q_{\text{fusion}} = 100 \times 334\]

\[Q_{\text{fusion}} = 33\,400\,\text{J}\]

Résultat :
L’énergie nécessaire pour fondre 100 g de glace est de 33,400 J (environ 33,4 kJ).

2. Vaporisation de l’eau

Formule

\[Q_{\text{vaporisation}} = m \times L_v\]

En substituant les valeurs :
\[Q_{\text{vaporisation}} = 100\,\text{g} \times 2260\,\frac{\text{J}}{\text{g}}\]

\[Q_{\text{vaporisation}} =
100 \times 2260\]

\[Q_{\text{vaporisation}} = 226\,000\,\text{J}\]

Résultat :

L’énergie nécessaire pour vaporiser 100 g d’eau est de 226,000 J (environ 226 kJ).

3. Comparaison et Discussion

L’énergie nécessaire pour la vaporisation est significativement plus élevée que celle requise pour la fusion. Pour 100 g de matière, la vaporisation demande \(226000 \, \text{J}\) contre \(33400 \, \text{J}\) pour la fusion.

Discussion :

• Fusion :

Dans la glace, les molécules d’eau sont arrangées de manière ordonnée et maintenues par des liaisons hydrogène. Lors de la fusion, ces liaisons se brisent partiellement pour permettre aux molécules de se déplacer plus librement dans l’état liquide.

• Vaporisation :

Lors de la vaporisation, les molécules d’eau doivent non seulement rompre les liaisons hydrogène, mais aussi vaincre les forces d’attraction intermoléculaires complètement pour passer en phase gazeuse. Cela nécessite une énergie beaucoup plus importante.

• Différence d’énergie :

La valeur de la chaleur latente de vaporisation (\(2260 \, \text{J/g}\)) est bien plus élevée que celle de la fusion (\(334 \, \text{J/g}\)). Cette différence traduit le fait qu’il faut fournir plus d’énergie pour amener les molécules d’eau de l’état liquide à l’état gazeux, où elles sont complètement séparées et en mouvement libre, par rapport à l’énergie nécessaire pour passer de l’état solide à l’état liquide.

• Implications physiques :

La transformation de l’eau en vapeur requiert l’absorption d’une grande quantité d’énergie, ce qui se reflète dans des phénomènes tels que le refroidissement par évaporation (lorsque l’eau s’évapore, elle emporte avec elle une grande partie de l’énergie thermique).

4. Application réelle

Changements d’État de l’Eau

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