Thermodynamique – Chapitre 3 : Changements d`état du corps pur

Exercices d’entraînement (feuille P09)
Lycée Hoche – BCSPT1A – A. Guillerand
Thermodynamique – Chapitre 3 : Changements d’état du corps pur
Exercices d’entraînement
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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.
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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
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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.
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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 ?
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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
.
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