Seconde · Physique-chimie

Transformations physiques et transferts thermiques

Chapitre 7

15 questions originales à réponses multiples pour vérifier les notions, les méthodes et les points de vigilance du chapitre.

Ces 15 questions sur Transformations physiques et transferts thermiques alternent observations, calculs et décisions expérimentales. Plusieurs propositions peuvent être exactes. Prévois du papier et un stylo.

Comment répondre ?

Prévois une feuille et un stylo pour poser tes calculs et rédiger tes étapes. Chaque QCM propose cinq affirmations. Une ou plusieurs réponses peuvent être exactes. Coche-les, vérifie, puis ouvre la correction pour comprendre chaque proposition. Tu obtiens un point seulement si tu coches toutes les bonnes réponses, sans cocher de réponse fausse.

0 question vérifiée sur 15

Question 1

Faire fondre un glaçon

Dans une glacière, un glaçon absorbe de l’énergie. Une masse de 200 g d’eau passe de l’état solide à l’état liquide. Pour ce changement d’état, l’énergie massique vaut 334 kJ·kg⁻¹. On considère cette matière comme système. Quelles conclusions sont fondées ?

Le système étudié reçoit de l’énergie thermique lors de cette étape. La valeur de l’énergie transférée pendant ce changement est 66,8 kJ. La masse transformée vaut 0,2 kg. L’énergie vaut 66800 kJ parce que 200 g sont déjà des kg. Le système étudié cède nécessairement l’énergie thermique calculée.

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Réponse attendue : A, B, C

A — Vrai. Oui. Le passage solide → liquide est endothermique pour le système étudié : il reçoit l’énergie de l’extérieur.
B — Vrai. Oui. La valeur absolue est E = mL = 0,2 kg × 334 kJ·kg⁻¹ = 66,8 kJ ; les kg se simplifient.
C — Vrai. Oui. 200 g × 10⁻³ kg·g⁻¹ = 0,2 kg ; cette unité correspond à l’énergie massique donnée.
D — Faux. Non. 200 g = 0,2 kg. Sans conversion, le résultat est mille fois trop grand ; la valeur correcte est 66,8 kJ.
E — Faux. Non. Pour le changement solide → liquide, le sens du transfert est l’inverse : le système reçoit l’énergie thermique ; il faut fixer le système avant le signe.

Méthode à retenir. Choisir l’eau comme système, convertir 200 g en kg, calculer E = mL puis attribuer le sens du transfert au changement solide → liquide.

Question 2

Solidifier une poche d’eau

On refroidit une poche d’eau pure. Une masse de 100 g d’eau passe de l’état liquide à l’état solide. Pour ce changement d’état, l’énergie massique vaut 334 kJ·kg⁻¹. On considère cette matière comme système. Quelles conclusions sont fondées ?

La valeur de l’énergie transférée pendant ce changement est 33,4 kJ. L’énergie vaut 33400 kJ parce que 100 g sont déjà des kg. La masse transformée vaut 0,1 kg. Le système étudié cède de l’énergie thermique lors de cette étape. Le système étudié reçoit nécessairement l’énergie thermique calculée.

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Réponse attendue : A, C, D

A — Vrai. Oui. La valeur absolue est E = mL = 0,1 kg × 334 kJ·kg⁻¹ = 33,4 kJ ; les kg se simplifient.
B — Faux. Non. 100 g = 0,1 kg. Sans conversion, le résultat est mille fois trop grand ; la valeur correcte est 33,4 kJ.
C — Vrai. Oui. 100 g × 10⁻³ kg·g⁻¹ = 0,1 kg ; cette unité correspond à l’énergie massique donnée.
D — Vrai. Oui. Le passage liquide → solide est exothermique pour le système étudié : il cède l’énergie de l’extérieur.
E — Faux. Non. Pour le changement liquide → solide, le sens du transfert est l’inverse : le système cède l’énergie thermique ; il faut fixer le système avant le signe.

Méthode à retenir. Choisir l’eau comme système, convertir 100 g en kg, calculer E = mL puis attribuer le sens du transfert au changement liquide → solide.

Question 3

Évaporer l’eau d’un récipient

On fournit de l’énergie à l’eau qui se vaporise. Une masse de 50 g d’eau passe de l’état liquide à l’état gazeux. Pour ce changement d’état, l’énergie massique vaut 2260 kJ·kg⁻¹. On considère cette matière comme système. Quelles conclusions sont fondées ?

Le système étudié reçoit de l’énergie thermique lors de cette étape. L’énergie vaut 113000 kJ parce que 50 g sont déjà des kg. La valeur de l’énergie transférée pendant ce changement est 113 kJ. Le système étudié cède nécessairement l’énergie thermique calculée. La masse transformée vaut 0,05 kg.

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Réponse attendue : A, C, E

A — Vrai. Oui. Le passage liquide → gazeux est endothermique pour le système étudié : il reçoit l’énergie de l’extérieur.
B — Faux. Non. 50 g = 0,05 kg. Sans conversion, le résultat est mille fois trop grand ; la valeur correcte est 113 kJ.
C — Vrai. Oui. La valeur absolue est E = mL = 0,05 kg × 2260 kJ·kg⁻¹ = 113 kJ ; les kg se simplifient.
D — Faux. Non. Pour le changement liquide → gazeux, le sens du transfert est l’inverse : le système reçoit l’énergie thermique ; il faut fixer le système avant le signe.
E — Vrai. Oui. 50 g × 10⁻³ kg·g⁻¹ = 0,05 kg ; cette unité correspond à l’énergie massique donnée.

Méthode à retenir. Choisir l’eau comme système, convertir 50 g en kg, calculer E = mL puis attribuer le sens du transfert au changement liquide → gazeux.

Question 4

Condensation de vapeur

Sur une paroi froide, de la vapeur se liquéfie. Une masse de 20 g d’eau passe de l’état gazeux à l’état liquide. Pour ce changement d’état, l’énergie massique vaut 2260 kJ·kg⁻¹. On considère cette matière comme système. Quelles conclusions sont fondées ?

L’énergie vaut 45200 kJ parce que 20 g sont déjà des kg. La masse transformée vaut 0,20 kg. Le système étudié reçoit nécessairement l’énergie thermique calculée. La vapeur garde nécessairement son volume initial en devenant liquide. La valeur de l’énergie transférée pendant ce changement est 45,2 kJ.

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Réponse attendue : E

A — Faux. Non. 20 g = 0,02 kg. Sans conversion, le résultat est mille fois trop grand ; la valeur correcte est 45,2 kJ.
B — Faux. On convertit 20 g en 0,020 kg ; 0,20 kg représenterait 200 g, dix fois la masse donnée.
C — Faux. Non. Pour le changement gazeux → liquide, le sens du transfert est l’inverse : le système cède l’énergie thermique ; il faut fixer le système avant le signe.
D — Faux. Un changement d’état conserve la masse dans le système fermé, mais il ne conserve pas en général le volume.
E — Vrai. Oui. La valeur absolue est E = mL = 0,02 kg × 2260 kJ·kg⁻¹ = 45,2 kJ ; les kg se simplifient.

Méthode à retenir. Choisir l’eau comme système, convertir 20 g en kg, calculer E = mL puis attribuer le sens du transfert au changement gazeux → liquide.

Question 5

Fondre un métal modèle

Dans un atelier, on apporte l’énergie de fusion à un métal modèle. Une masse de 250 g de métal passe de l’état solide à l’état liquide. Pour ce changement d’état, l’énergie massique vaut 100 kJ·kg⁻¹. On considère cette matière comme système. Quelles conclusions sont fondées ?

Le système étudié reçoit de l’énergie thermique lors de cette étape. La masse transformée vaut 0,25 kg. La valeur de l’énergie transférée vaut 250 kJ. L’énergie vaut 25000 kJ parce que 250 g sont déjà des kg. Le système étudié cède nécessairement l’énergie thermique calculée.

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Réponse attendue : A, B

A — Vrai. Oui. Le passage solide → liquide est endothermique pour le système étudié : il reçoit l’énergie de l’extérieur.
B — Vrai. Oui. 250 g × 10⁻³ kg·g⁻¹ = 0,25 kg ; cette unité correspond à l’énergie massique donnée.
C — Faux. Il faut convertir 250 g en 0,250 kg : E = mL = 0,250 × 100 = 25 kJ.
D — Faux. Non. 250 g = 0,25 kg. Sans conversion, le résultat est mille fois trop grand ; la valeur correcte est 25 kJ.
E — Faux. Non. Pour le changement solide → liquide, le sens du transfert est l’inverse : le système reçoit l’énergie thermique ; il faut fixer le système avant le signe.

Méthode à retenir. Choisir un métal comme système, convertir 250 g en kg, calculer E = mL puis attribuer le sens du transfert au changement solide → liquide.

Question 6

Solidifier une cire modèle

Une cire chaude refroidit dans un moule. Une masse de 80 g de cire passe de l’état liquide à l’état solide. Pour ce changement d’état, l’énergie massique vaut 200 kJ·kg⁻¹. On considère cette matière comme système. Quelles conclusions sont fondées ?

La masse transformée vaut 0,08 kg. La valeur de l’énergie transférée pendant ce changement est 16 kJ. Le système étudié cède de l’énergie thermique lors de cette étape. Le système étudié reçoit nécessairement l’énergie thermique calculée. À masse égale, fusion et solidification échangent la même valeur d’énergie en sens opposés.

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Réponse attendue : A, B, C, E

A — Vrai. Oui. 80 g × 10⁻³ kg·g⁻¹ = 0,08 kg ; cette unité correspond à l’énergie massique donnée.
B — Vrai. Oui. La valeur absolue est E = mL = 0,08 kg × 200 kJ·kg⁻¹ = 16 kJ ; les kg se simplifient.
C — Vrai. Oui. Le passage liquide → solide est exothermique pour le système étudié : il cède l’énergie de l’extérieur.
D — Faux. Non. Pour le changement liquide → solide, le sens du transfert est l’inverse : le système cède l’énergie thermique ; il faut fixer le système avant le signe.
E — Vrai. Ces changements inverses ont la même énergie massique en valeur ; le transfert change de sens. Cela permet de retrouver le bilan de solidification à partir de celui de fusion, sans changer la masse.

Méthode à retenir. Choisir la cire comme système, convertir 80 g en kg, calculer E = mL puis attribuer le sens du transfert au changement liquide → solide.

Question 7

Un récipient fermé de glace

Dans un récipient fermé, 30 g de glace fondent complètement sans fuite de matière. On suit l’eau comme système. Quelles propositions conviennent ?

La transformation est physique. Les entités H₂O sont remplacées par des ions H⁺ et O²⁻ pendant la fonte. La masse d’eau liquide obtenue est de 30 g dans ce modèle. Il s’agit d’une dissolution de la glace dans l’eau. La masse finale vaut 0 g parce que la glace a disparu.

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Réponse attendue : A, C

A — Vrai. Oui. L’espèce chimique H₂O reste la même avant et après la fusion. Seul l’état et l’agencement des molécules changent ; aucun réactif nouveau ne doit être ajouté au bilan.
B — Faux. La fonte est physique : les molécules H₂O restent des molécules d’eau, sans formation de ces ions.
C — Vrai. Oui. Un changement d’état modifie l’organisation des entités, pas leur nombre dans le récipient fermé ; la masse se conserve.
D — Faux. Non. La fusion est le passage solide → liquide de H₂O ; dissoudre supposerait un soluté dispersé dans un solvant.
E — Faux. Non. Le solide a changé d’état ; il n’a pas disparu. Les 30 g se retrouvent sous forme liquide.

Méthode à retenir. Décrire le changement d’état avec la même espèce chimique de part et d’autre ; dans un système fermé, contrôler la masse conservée.

Question 8

Pluie et condensation

Une partie de la vapeur d’eau d’un air humide se condense en gouttelettes sur une vitre froide. On suit la vapeur qui change d’état. Que dire ?

La vapeur qui se condense cède de l’énergie au milieu extérieur. Le bilan d’état de la vapeur suivie s’écrit H₂O(g) → H₂O(l). Les gouttes sont nécessairement une nouvelle espèce chimique. Le passage gaz → liquide est une liquéfaction. La vitre et l’eau sont deux systèmes différents pour raisonner sur le transfert.

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Réponse attendue : A, B, D, E

A — Vrai. Oui. La liquéfaction est exothermique pour l’eau prise comme système ; la vitre peut recevoir l’énergie cédée.
B — Vrai. Pour l’eau qui se condense, l’état initial est gazeux et l’état final liquide : c’est une liquéfaction.
C — Faux. Non. La vapeur et les gouttes correspondent toutes deux à H₂O ; seule l’organisation et l’état physique changent.
D — Vrai. Oui. La vapeur H₂O devient de l’eau liquide ; on parle de condensation ou de liquéfaction.
E — Vrai. Oui. L’eau cède de l’énergie alors que la vitre peut en recevoir ; le signe attribué dépend du système choisi.

Méthode à retenir. Nommer l’état initial et l’état final, écrire H₂O(g) → H₂O(l), puis préciser qui cède l’énergie.

Question 9

Dissoudre ou faire fondre ?

Dans le premier bécher, un glaçon devient eau liquide. Dans le second, du sel solide disparaît visuellement après agitation dans l’eau. Quelles distinctions sont correctes ?

Les deux phénomènes sont la fusion d’un solide pur. Le contexte est indispensable pour distinguer fusion et dissolution. Dans le premier bécher, H₂O(s) → H₂O(l) est une fusion. Dans le second, le sel est dispersé sous forme dissoute dans l’eau. L’eau liquide obtenue du glaçon contient nécessairement du sel.

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Réponse attendue : B, C, D

A — Faux. Non. Le sel se dissout dans un solvant ; il ne devient pas simplement du sel liquide.
B — Vrai. Oui. Une disparition visuelle de solide peut avoir deux causes distinctes ; identifier les espèces et le solvant tranche.
C — Vrai. Oui. La même espèce eau passe de l’état solide à l’état liquide. L’écriture conserve H₂O des deux côtés, ce qui distingue ce bécher de la dissolution du sel.
D — Vrai. Oui. Il reste présent dans une solution ; l’aspect sans grain ne signifie pas une disparition de matière.
E — Faux. Non. Le premier bécher ne comporte que le glaçon d’eau dans l’énoncé ; le sel est dans le second.

Méthode à retenir. Fusion : une espèce change d’état. Dissolution : un soluté se disperse dans un solvant ; ne pas décider sur le seul aspect visuel.

Question 10

Deux masses de glaçons

À pression identique, deux glaçons de masses 40 g et 80 g fondent complètement. On suppose la même énergie massique de fusion. Quelles comparaisons suivent ?

Les deux glaçons demandent exactement la même énergie car ils sont de la même espèce. La fusion de 80 g demande deux fois l’énergie de celle de 40 g. Il faut diviser L par la masse pour calculer E. La température de fusion d’un corps pur ne double pas quand sa masse double. Le quotient E/m vaut la même valeur pour les deux expériences.

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Réponse attendue : B, D, E

A — Faux. Non. La même espèce donne le même L dans les mêmes conditions, mais E = mL dépend de la masse transformée.
B — Vrai. Oui. E = mL avec L identique ; doubler m de 40 g à 80 g double la valeur de E.
C — Faux. Non. L’unité de L est J·kg⁻¹ ; multiplier par m en kg donne des joules, alors que diviser L par m donnerait J·kg⁻².
D — Vrai. Oui. À pression fixée, la température caractéristique n’est pas proportionnelle à la masse du glaçon. Doubler la masse change la quantité de chaleur nécessaire, mais pas la valeur du palier à pression identique.
E — Vrai. Oui. E/m = L, énergie massique de fusion, tant que l’on considère le même changement d’état dans les mêmes conditions.

Méthode à retenir. Distinguer L, propriété massique (J·kg⁻¹), et E = mL, énergie totale (J).

Question 11

Palier pendant la fusion

On chauffe régulièrement un corps pur à pression constante. Le relevé donne 20 °C, 30 °C, puis 30 °C, 30 °C pendant qu’une partie solide devient liquide. Quelles lectures sont possibles ?

L’apport d’énergie s’arrête nécessairement pendant le palier. Le palier de fusion observé est à 30 °C dans les conditions du relevé. Le corps peut contenir simultanément solide et liquide pendant le palier. Le palier démontre que la masse du corps augmente. La pression doit être précisée si l’on compare la température de fusion à une référence.

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Réponse attendue : B, C, E

A — Faux. Non. Le chauffage continue ; l’énergie reçue est liée au changement d’état au lieu d’élever alors la température.
B — Vrai. Oui. Pendant le changement d’état du corps pur, la température reste approximativement à 30 °C malgré l’énergie reçue.
C — Vrai. Oui. Tant que la fusion n’est pas achevée, les deux états coexistent. L’énergie fournie sert alors à transformer la fraction encore solide, et non à élever immédiatement la température.
D — Faux. Non. La température constante ne signifie pas création de matière ; à l’abri des pertes, la masse se conserve.
E — Vrai. Oui. La température de changement d’état d’un corps pur dépend des conditions, notamment de la pression.

Méthode à retenir. Lire la partie horizontale comme une température de changement d’état à pression donnée ; ne pas confondre énergie reçue et élévation permanente de température.

Question 12

Écrire la bonne transformation

On observe, dans trois situations séparées, de la glace qui fond, de l’eau liquide qui s’évapore et de la vapeur d’eau qui se condense. Quelles équations décrivent effectivement l’une de ces trois situations ?

H₂O(s) → H₂O(l) décrit la fusion. H₂O(g) → H₂O(s) décrit nécessairement la condensation en gouttes liquides. H₂O(s) → H₂(g) + O₂(g) décrit la fusion. H₂O(l) → H₂O(g) décrit la vaporisation. H₂O(g) → H₂O(l) décrit la condensation.

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Réponse attendue : A, D, E

A — Vrai. Oui. Le symbole (s) désigne l’état solide avant la flèche, (l) l’état liquide après. La formule H₂O reste identique : seule la phase change.
B — Faux. Non. Gaz → solide correspond à une condensation solide ; les gouttes liquides imposent un état final (l).
C — Faux. Non. Les produits H₂ et O₂ seraient de nouvelles espèces ; une simple fusion garde H₂O.
D — Vrai. Oui. La même espèce H₂O passe d’une phase liquide, indiquée par (l), à une phase gazeuse, indiquée par (g).
E — Vrai. Oui. Une vapeur d’eau en phase (g) devient des gouttes liquides (l), sans modifier l’identité chimique H₂O.

Méthode à retenir. Conserver la formule de l’espèce et changer seulement le symbole d’état : (s), (l) ou (g).

Question 13

La chaleur d’une poche réutilisable

Une poche contenant une espèce liquide cristallise et devient chaude au toucher. On considère uniquement l’espèce qui solidifie. Quelles explications restent cohérentes ?

La sensation de chaleur suffit à démontrer que des molécules inédites sont apparues. La cristallisation doit nécessairement absorber l’énergie qui réchauffe la main. Une étude quantitative demanderait la masse transformée et l’énergie massique correspondante. La sensation de chaleur dépend du système choisi pour écrire le transfert. La solidification peut libérer de l’énergie vers l’extérieur.

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Réponse attendue : C, D, E

A — Faux. Non. Une transformation physique de solidification peut produire ce transfert sans créer une nouvelle espèce.
B — Faux. Non. Pour l’espèce qui solidifie, l’étape est exothermique : elle cède l’énergie qui est reçue par la main.
C — Vrai. Oui. Pour le changement d’état, la valeur de l’énergie transférée se calcule par E = mL avec m en kg et L en J·kg⁻¹.
D — Vrai. Oui. L’espèce cristallisante perd de l’énergie thermique ; la main peut en gagner. Le même échange reçoit un signe négatif pour l’espèce qui cède et positif pour la main qui reçoit.
E — Vrai. Oui. La poche se réchauffe parce que la transformation de l’espèce cède de l’énergie thermique aux autres parties et à la main.

Méthode à retenir. Isoler l’espèce qui change d’état, relier le réchauffement de la main à un transfert, puis demander m et L avant tout calcul.

Question 14

Choisir des unités cohérentes

On donne L = 3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹ pour la fusion de la glace et m = 25 g. Comment préparer l’application numérique E = mL ?

On obtient E = 8350 J pour la valeur du transfert. On peut exprimer la même valeur par 8,35 kJ. L vaut 3,34 × 10⁵ J, sans référence à une masse. On trouve E = 8,35 × 10⁶ J en remplaçant directement m par 25. On convertit m en 0,025 kg.

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Réponse attendue : A, B, E

A — Vrai. Oui. E = 0,025 kg × 3,34 × 10⁵ J·kg⁻¹ = 8350 J ; l’unité kg se simplifie.
B — Vrai. Oui. 1 kJ = 1000 J ; 8350 J = 8,35 kJ. Le préfixe kilo divise la valeur numérique par mille quand on passe des joules aux kilojoules.
C — Faux. Non. L est une énergie massique, en J·kg⁻¹. L’énergie totale s’obtient seulement après multiplication par la masse.
D — Faux. Non. Cela traite 25 g comme 25 kg ; il faut convertir la masse en 0,025 kg pour obtenir 8350 J.
E — Vrai. Oui. 25 g × 10⁻³ kg·g⁻¹ = 0,025 kg. Cette conversion est indispensable puisque L est donné par kilogramme, non par gramme, dans la relation E = mL.

Méthode à retenir. Avant de multiplier, convertir la masse en kg ; montrer explicitement kg × J·kg⁻¹ = J.

Question 15

Comparer deux scénarios d’évaporation

On évapore 10 g puis 30 g d’une même substance, dans les mêmes conditions. On néglige les pertes et l’énergie massique de vaporisation reste identique. Quelles relations sont valides ?

La seconde évaporation demande trois fois plus d’énergie. L’énergie massique de vaporisation triple parce que la masse triple. Les deux transformations sont endothermiques pour la substance. Pour calculer E en joules avec L en J·kg⁻¹, il faut convertir ces grammes en kilogrammes. La masse de matière obtenue à l’état gazeux est forcément zéro.

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Réponse attendue : A, C, D

A — Vrai. Oui. Avec E = mL et même L, le rapport des énergies vaut 30 g / 10 g = 3.
B — Faux. Non. Dans les mêmes conditions, L est une propriété massique de l’espèce ; seule l’énergie totale E = mL triple.
C — Vrai. Oui. La vaporisation demande un apport d’énergie à la substance ; le changement de masse ne renverse pas le sens du transfert.
D — Vrai. Oui. Les masses à injecter dans E = mL sont respectivement 0,010 kg et 0,030 kg. Sinon le produit numérique serait mille fois trop grand malgré une formule littérale correctement choisie.
E — Faux. Non. La substance a changé d’état : sans perte, 10 g ou 30 g se retrouvent à l’état gazeux.

Méthode à retenir. À L fixé, utiliser la proportionnalité E ∝ m et conserver la masse durant le changement d’état.

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