Exercices d’entraînement (feuille P09) Lycée Hoche – BCSPT1A – A. Guillerand Thermodynamique – Chapitre 3 : Changements d’état du corps pur Exercices d’entraînement 6 8 Courbe d’analyse thermique La courbe ci-dessous donne l’évolution de la température en fonction du temps lors du chauffage isobare, sous une pression de 1 atm, d’une masse de glace (d’eau) enfermée dans une enceinte fermée dont la paroi supérieure est un piston sur lequel s’exerce la pression 1 atm. On considère que l’évolution est une succession d’états d’équilibre. Explosion d’un réservoir En novembre dans une usine à Sherbrooke située à l’est de Montréal, un réservoir de d’acétone utilisée comme solvant d’extraction a explosé. La majeur partie des bâtiments a été détruite et deux employés y ont laissé leur vie. On se propose de trouver une explication. L’acétone est un solvant organique couramment utilisé au laboratoire et dans l’industrie chimique car elle a l’avantage de solubiliser de nombreuses substances organiques et d’être également miscible à l’eau. Sur les bouteilles d’acétone, on peut trouver, entre autres, les pictogrammes ci-dessous. Figure 1 : Courbe d’analyse thermique 1. Commenter cette courbe. 2. Relier la puissance thermique de chauffe supposée constante (transfert thermique fourni au corps pur par unité de temps) aux durées des phases de changement d’état. 7 Eau à température ambiante On enferme une masse kg d’eau dans une enceinte de volume , à la température constante pour tout cet exercice. 1. Quel est le volume maximal du système pour que l’eau soit entièrement à l’état liquide ? 2. Quel est le volume minimal du système pour que l’eau soit entièrement à l’état gazeux ? 3. Le système a initialement un volume . On réduit son volume jusqu’à une valeur de L. Tracer, sans chercher à avoir une échelle rigoureuse, l’allure de la courbe isotherme . On précisera sur chaque domaine de la courbe l’état physique du système. 4. On reprend l’expérience précédente, mais on s’arrête cette à fois à un volume . Calculer la masse d’eau liquide et d’eau gazeuse dans cet état. Données : Masse volumique de l’eau à 20°C, ; Masse molaire de l’eau ; Constante des gaz parfaits ; Pression de vapeur saturante de l’eau à , Pa La formule moléculaire de l’acétone est , on fournit quelques données concernant ce composé : - Masse molaire : Température de fusion sous : Point triple : sous Point critique : sous Masse volumique de l’acétone liquide à - Pression de vapeur saturante à : : 1. Tracer l’allure du diagramme de phases ( ) de l’acétone. Attribuer les domaines aux différents états physiques et indiquer le nom des courbes tracées. Placer tous les points dont vous connaissez les coordonnées. 2. Pour étudier le caractère volatil de l’acétone, on place un bécher de contenant une masse d’acétone pure liquide dans une pièce fermée de volume de température constante et ne contenant initialement pas d’acétone. Quel est l’état physique de l’acétone quand l’état d’équilibre est atteint (état 1). 3. Déterminer la valeur du volume à la même température de pour laquelle l’acétone de masse initialement liquide serait réduite à une goutte de liquide dans le bécher, en équilibre avec la vapeur saturante à l’état d’équilibre (état 2). 4. Déterminer de même la valeur du volume dans les mêmes conditions tel que le bécher contienne en Thermodynamique – Chapitre 3 : Changement d’états du corps pur Page 1 Exercices d’entraînement (feuille P09) masse de l’acétone liquide initiale dans un état d’équilibre (état 3). 5. Représenter les différents états dans un diagramme ( ). On considère le réservoir d’acétone précédent de volume avant son explosion. Il est muni d’un capteur de pression (manomètre). Le réservoir est maintenu à une température par un système de réfrigération. Le réservoir est correctement rempli avec d’acétone. En raison de l’air contenu dans le réservoir, le manomètre indique initialement la pression atmosphérique . Après quelques heures, le manomètre se fixe à la valeur . 6. Déterminer les quantités de matière des différentes espèces gazeuses pour les différentes valeurs de pression lues et . On proposera pour cela une démarche moyennant des hypothèses qui seront formulées. 7. L’explosion est liée à une fuite de gaz au niveau du réservoir et à un défaut aux règles de sécurité. Justifier. Lycée Hoche – BCSPT1A – A. Guillerand 9 Questions ouvertes : quelques phénomènes courants 1. Pourquoi avons-nous froid quand nous sortons de l’eau après nous être baigné ? 2. Pourquoi la chaleur humide est-elle plus difficilement supportable que la chaleur sèche ? 3. Dans les cafés, on échauffe le lait avec de la vapeur d’eau, pourquoi ce procédé est-il plus efficace que le chauffage direct sur une plaque de cuisson ? 10 Question ouverte : patinage artistique La pression exercée sur la glace d’une patinoire par la lame d’un seul patin à glace d’un patineur en mouvement peutelle faire fondre la glace sachant que la courbe de fusion de l’eau est assimilée à une demi-droite de pente . Thermodynamique – Chapitre 3 : Changement d’états du corps pur Page 2