À propos de cette expérience
Placez de la glace sortie du congélateur sur une plaque chauffante et relevez la température à l’aide d’un thermomètre toutes les minutes. La température augmente, puis se stabilise à 0 °C pendant que la glace fond. Elle augmente de nouveau et se stabilise une deuxième fois lorsque l’eau bout. Ce laboratoire trace la courbe de chauffage au fur et à mesure et montre les particules à l’intérieur. Modifiez la masse, la puissance du chauffage et la température initiale, ou déplacez l’expérience en montagne, où l’eau bout à moins de 100 °C.
Objectifs pédagogiques
- Décrivez la forme d’une courbe de chauffage et indiquez l’état de l’eau dans chaque partie.
- Explique pourquoi la température reste constante lorsqu’une substance fond ou bout
- Utilisez Q = mcΔT et Q = mL pour calculer l’énergie nécessaire à chaque étape
- Comparez l’énergie nécessaire pour faire fondre de la glace à celle nécessaire pour faire bouillir de l’eau
- Reliez le point d’ébullition à la pression atmosphérique
Comment l’utiliser
- 1Appuyez sur « Chauffer » et observez le thermomètre. Faites une pause à chaque plateau du graphique et décrivez ce qui se trouve dans le récipient.
- 2À l’aide de la vue des particules, décrivez comment leur disposition et leur mouvement changent dans chaque état.
- 3Comparez la longueur des deux plateaux. Quel changement d’état nécessite le plus d’énergie ? Vérifiez à l’aide des valeurs affichées.
- 4Doublez la masse de glace. Quelles parties de la courbe s’allongent ? Doublez ensuite plutôt la puissance du chauffage.
- 5Comparez les pentes des portions correspondant à la glace, à l’eau et à la vapeur. Quelle substance a la capacité thermique massique la plus élevée ?
- 6Réglez l’altitude sur le sommet du mont Everest (8849 m). Trouvez le nouveau point d’ébullition et expliquez pourquoi les pâtes y cuisent lentement.
Le modèle
Hypothèses
- Aucune chaleur n’est perdue dans l’environnement et toute la puissance du chauffage est transférée à l’eau.
- Le récipient est fermé par un piston, de sorte que la vapeur reste à l’intérieur à pression constante et peut être chauffée davantage. Dans un bécher ouvert, la vapeur s’échappe et la dernière partie de la courbe n’est pas visible.
- L’eau est agitée, de sorte que l’échantillon entier est à la même température. Les capacités thermiques massiques et les chaleurs latentes sont considérées comme constantes.
- La pression atmosphérique diminue avec l’altitude, avec une hauteur d’échelle de 8,4 km. Le point de fusion dépend à peine de la pression et est fixé à 0 °C.
- La représentation des particules illustre leur disposition et leur vitesse relative ; ce n’est pas une simulation moléculaire.
À essayer en classe
- Q1Quelle quantité d’énergie faut-il pour faire fondre 0,2 kg de glace à 0 °C ?
- Q2Une bouilloire de 1 500 W contient 1,2 kg d’eau à 20 °C. Combien de temps faut-il pour atteindre 100 °C si aucune chaleur n’est perdue ?
- Q3Pourquoi une brûlure causée par de la vapeur à 100 °C fait-elle plus mal qu’une brûlure causée par de l’eau bouillante à 100 °C ?
- Q4Pourquoi la droite correspondant à l’eau liquide est-elle moins inclinée que celle correspondant à la glace, alors que le même dispositif de chauffage est utilisé ?
- Q5Dans une expérience réelle, la partie de la courbe correspondant à la fusion est souvent inclinée plutôt qu’horizontale. Propose deux raisons.
Foire aux questions
Où va l’énergie si la température ne change pas ?
Elle augmente l’énergie potentielle des particules. La fusion et l’ébullition écartent les particules en s’opposant à l’attraction qui s’exerce entre elles ; l’énergie est donc stockée au lieu d’accélérer leur mouvement. Cette énergie stockée est libérée à nouveau lorsque la vapeur se condense ou que l’eau gèle.
Pourquoi l’ébullition dure-t-elle beaucoup plus longtemps que la fusion ?
La fusion ne fait que desserrer la structure cristalline ; les particules de l’eau liquide restent en contact. L’ébullition les sépare complètement, ce qui nécessite près de sept fois plus d’énergie par kilogramme (2 260 kJ contre 334 kJ).
Puis-je réaliser cette expérience en classe ?
Oui, avec de la glace pilée dans un bécher, une tige d’agitation et un thermomètre, au-dessus d’un bec Bunsen ou sur une plaque chauffante. Relevez la température toutes les 30 secondes jusqu’à ce que l’eau ait bouilli pendant quelques minutes. Les paliers seront probablement moins nets qu’ici, car le bécher perd de la chaleur et le mélange n’est pas homogène.