Thème du programme Sous-thèmehabitat Les fluides dans l’habitat

Titre Changements d’états physiques de l’eau

Type d'activité Activités documentaires et expérimentales par groupes

Conditions de mise en œuvre

Durée : 2H à 3 HAcquis : Etat gazeux, état liquide, état solide (collège)

Propriétés des gaz (seconde)Transferts thermiques (première)

Partie concernée du programme

Notions et contenus Capacités exigibles

Etats de la matière.

Transfert thermiques et changements d’état

Transformations physiques et effets thermiques associés.

● Différencier les différentes transformations liquide-vapeur pour l’eau : évaporation, ébullition.

● associer un changement d’état au niveau macroscopique à l’établissement ou à la rupture d’interactions entre entités au niveau microscopique.● utiliser un diagramme d’état (P,T) pour déterminer l’état d’un fluide lors d’une transformation.

Compétences transversales

- rechercher, extraire et organiser l’information utile fournie par une situation ou un document.- mettre en œuvre un protocole expérimental en respectant les règles de sécurité.- Travailler en équipe- Utiliser les TIC

Mots clés de recherche évaporation, ébullition, Pression, Température.

Auteur

Rigolet Emmanuel

Lycée Louis Armand

73000 Chambéry

Sciences physiques.

Académie de Grenoble

Changements d’états physiques de l’eau

Changements d’états physiques de l’eau

Notes   : On peut commencer la séance par une ou plusieurs activités documentaires ( choix parmi les documents ci-dessous) puis à partir d’une discussion poursuivre sur l’activité expérimentale (partie b. Des éléments de réponses et des vidéos sont pour les professeurs)

A. Partie documentaire et exploitation.

Document 1. Pompe à chaleur   :

Comme son nom le suggère, une pompe à chaleur « PAC » puise de la chaleur dans l'environnement proche pour la restituer dans un local à chauffer. Elle peut aussi faire l'inverse et rafraîchir le local. Elle constitue un dispositif thermique plus efficace que les systèmes habituels et avec un faible impact environnemental. Certaines « PAC » travaillent sur la chaleur de l'air (air-air ou air-eau), d'autres avec la chaleur de l'eau (eau-eau, plus rarement eau-air), ou du sol. Les «PAC » utilisant la chaleur du sol sont appelées pompe à chaleur géothermique.

http://www.futura-sciences.com

La pompe à chaleur (1) capte la chaleur de l'air et la transmet au circuit hydraulique. Une vanne (2) permet de répartir l'eau chaude entre le circuit de radiateurs Basse Température (3) et la chau-dière (4). La chaudière alimente la maison en eau chaude (5) et relève la pompe lorsque la température extérieure l'exige.

La pompe à chaleur, qui prélève de la chaleur à la source froide grâce au circuit de captage, dispose de 4 or-ganes principaux (cf. schéma ci-dessous):

Le condenseur : le fluide libère sa chaleur dans l'habitation en passant de l'état gazeux à l'état liquide. Le détendeur : il prépare la réaction de vaporisation en abaissant la pression du liquide. L'évaporateur : la chaleur prélevée à la source froide vaporise le fluide frigorigène. Le compresseur : actionné par un moteur électrique, il élève la température du fluide en le comprimant.

http://www.techno-science.net

Document 2 : Les états de l’eauEtat solide Etat gazeux Etat liquide

Document 3 : Les changements d’état physique de l’eau et le cycle de l’eau.

Document 4 : La réfrigération par évaporation ( extrait de sujet de bac)

La réfrigération par évaporation est une technologie de réfrigération connue depuis des millénaires : les cruches poreuses et les outres en peau rafraîchissent leur contenu par l'évaporation d'eau à leur surface.L’évaporation est plus rapide lorsque la vapeur d’eau formée est éliminée au fur et à mesure qu’elle se forme. C’est pourquoi, l’évaporation est accélérée par les courants d'air balayant la surface de la cruche.

D’après www.thermagen.com

Document 5. Geyser et source chaude http://www.dinosoria.com/geyser.htm

Les volcans sont d’énormes sources de chaleur qui peuvent perdurer des milliers d’années après l’arrêt de leur activité éruptive. Cette chaleur peut se manifester sous forme de fumerolles, de sources chaudes ou de geysers.

Phénomènes spectaculaires, les geysers sont de véritables volcans d’eau qui projettent, de façon continue ou intermittente, d’immenses jets de vapeur et d’eau très chaude. La plupart des gey-sers sont situés dans des régions volcaniques où le magma est relativement proche de la surface terrestre. On les trouve notamment en Islande, en Nouvelle-Zélande et aux États-Unis, dans le célèbre parc de Yellowstone qui en compte à lui seul plus de 250.Le nom de geyser vient de Geysir « jaillir » en islandais.

Le conduit d’un geyser peut être très complexe mais le principe de base ne varie pas :

La nappe d’eau souterraine est prisonnière d’un réservoir dans lequel elle est surchauffée bien au-delà de la température normale d’ébullition. La pression finit par se relâcher, l’eau se met à bouillir instantanément et elle jaillit en hauteur lorsqu’elle s’échappe du réservoir.

Les jets de vapeur et d’eau qui jaillissent du sol atteignent parfois plus de 100 m de hauteur. Le plus haut geyser encore en activité se trouve dans le parc national de Yellowstone: il s’agit du Steamboat, dont le jet dépasse 110 m de hauteur.

Document 6. diagramme de phases de l'eau à (relativement) basse pression

http://planet-terre.ens-lyon.fr

Le diagramme de phases de l'eau est étudié, en particulier pour discuter de la présence ou non d'eau liquide sur les différents astres du système solaire. Il montre l'eau liquide, la vapeur d'eau et la glace. On reste dans le domaine de T et P englobant les conditions moyennes à la surface de la Terre et des planètes du système solaire (par exemple Vénus et Mars).

Diagramme de phases de l'eau à (relativement) basse pression ( échelle logarithmique pour la pression)

À basse pression (< 250 bar), l'eau existe sous trois états : solide (glace), liquide et gaz (vapeur d'eau).

Le point triple correspond à la coexistence des 3 états de l'eau, Tt=273,16 K, Pt=611 Pa=0,00611 bar.

Les conditions moyennes de surface de 3 planètes du système solaire sont représentées : Vénus, Mars et la Terre.

Pour la Terre, la barre horizontale indique une plage de températures extrêmes allant de -50°C à +50°C.

À "pression atmosphérique" (1013 hPa = 1,013 bar ~ 1 bar), l'eau est à l'état liquide entre 0°C et 100°C (définition des deux points de référence de l'échelle Celsius), à l'état solide en deçà, à l'état gazeux au-delà.

On pourrait penser à une erreur puisqu'on remarque que, sur Terre, on n'atteint pas l'état gazeux en surface d'après le diagramme, même à +50°C. En effet, il faut atteindre 100°C, à 1 bar, pour passer à l'état gazeux. Cette température, température d'ébullition, indique en fait la température maximale que peut atteindre l'eau à l'état liquide sous une pression de 1 bar, toute énergie supplémentaire ap-portée à l'eau liquide est ensuite intégralement utilisée pour le passage à l'état gazeux (chaleur la-tente de vaporisation). Cependant, chacun a pu constater que le linge mouillé sèche (à l'air ou en machine,) ou que de l'eau laissée dans une coupelle "disparaît", bien en-deçà de 100°C. De même les océans et surfaces d'eau libres, sources de la vapeur d'eau atmosphérique, ne bouillent pas non plus. L'air peut en effet contenir de la vapeur d'eau jusqu'à un seuil appelé pression de vapeur satu-rante, soit, pour 1 bar, environ 1,2% à 10°C, 2,3% à 20°C et 4,2% à 30°C. D'ailleurs, lorsqu'on an-nonce une humidité (relative) de l'air de 90%, cela ne signifie pas que l'air est composé à 90% d'eau, mais que l'air contient de la vapeur d'eau à hauteur de 90% de la pression de vapeur saturante.

Document.7 La molécule d’eau(Les éléments oxygène, Soufre, Sélénium, et Tellure appartienne à une même colonne du tableau périodique)

Composés de la

colonne 16

M (g/mol)

Tébullition

(°C)Tsolidification

(°C)

H2O 18 100 0H2S 34 - 61 - 82,9

H2Se 81 - 42 - 65,7H2Te 130 - 2 -48

L’eau est un composé « anormal » puisque ses températures d’ébullition et de solidification anormalement élevées ne respectent pas l’ordre d’évolution des autres composés.Ces écarts montrent que les forces d’attractions entre molécules d’eau sont plus importantes que pour les autres composés.

1. Chauffage par pompe à chaleur : En lisant attentivement le document 1, identifier la source chaude et la source froide. Préciser le rôle de la source froide ? Comment se produit le transfert de chaleur ? Est-il en accord avec la loi de transfert vue en classe de première ? Commenter.

2. Une pompe à chaleur « air-eau » peut également rafraîchir une maison en été. Le fluide calo-porteur gazeux sort de la maison, à une température modérée.Reproduire succinctement sur un schéma « évaporateur-détenteur-condenseur-compres-seur » le cycle du fluide caloporteur et préciser ses états physiques (gazeux ou liquide).

3. Par une recherche documentaire, rechercher un principe de fonctionnement simple d’un réfrigérateur. Comparer ce fonctionnement à celui d’une pompe à chaleur.

4. A partir du document 2, expliquer ce qui distingue les trois états de la matière.5. A partir de vos connaissances ou par un travail de recherche en équipe retrouver les noms

des changements d’états physiques décrits en document 3. 6. Dans le cycle de l'eau du document 3, les mots évaporation / précipitation / ruissellement /

infiltration sont manquants et sont remplacés par des chiffres. Attribuer à chaque numéro le mot manquant.

7. A partir du document 4, citer un moyen permettant d’accélérer l’évaporation de l’eau.8. Evaporation et ébullition de l’eau correspondent à un même changement d’état : Ce

changement d’état demande-t-il un apport d’énergie ou libère-t-il de l’énergie. Vous donnerez une explication en vous aidant des documents 1 et 6.

9. Vous désirez obtenir de l’eau fraiche rapidement dans une cruche semblable à celle du document 4. Comment devez-vous procéder ? Justifier votre démarche.

10.0°C = 273,16 K ≈ 273 K . Sachant que les échelles de températures en degrés Celsius et Kelvin ont le même pas, convertir en degré Celsius 300K.

11.En vous aidant du diagramme du document 6, relever la pression et la température pour lesquelles l’eau existe sous ses 3 états physiques.

12.document 6. Sous quelles formes l’eau pourrait-elle éxister sur Mars et Vénus ?13.documents 5 et 6. A la base d’un geyser, l’eau bout à 180°C. Evaluer la pression.

En remontant dans le conduit du geyser, comment varient la pression et la température d’ébullition de l’eau. Justifier.

14.Document 7. Vous devez trouver une explication aux températures de changement d’état anormalement élevées de l’eau. (du point de vue microscopique)

B. Partie expérimentale. Concevoir et interpréter.

La vaporisation est un changement d’état qui est mis en œuvre dans une pompe à chaleur. Nous al-lons nous intéresser à mettre en œuvre quelques expériences sur la vaporisation de l’eau.

Support de travail : documents sur la pompe à chaleur et diagramme de phases de l’eau.

1. L’eau déminéralisée est-elle un corps pur ? Vous devez élaborer puis mettre en œuvre une expérience permettant de mesurer la température d’ébullition de l’eau déminéralisée. Vous disposez du matériel suivant : eau déminéralisée, un thermomètre numérique, un chauffe ballon, un ballon en pyrex, un chronomètre, un ordinateur avec traitement de texte et tableur.

2. L’eau bout elle toujours à la même température ? vous devez concevoir et mettre en œuvre une ou plusieurs expériences tendant à savoir si la température d’ébullition de l’eau va-rie en fonction de la pression.Vous disposez du matériel suivant : thermomètres numériques, béchers, cloche à vide + pompe à vide, trompe à vide + fiole à vide, bouchon adapté à la trompe à vide, bouchon percé + thermomètre adapté à la trompe à vide.

L’évaporation s’effectue-t-elle à température constante ? Avec le même matériel que précé-demment, concevoir et mettre en œuvre une expérience simple.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Eléments de réponses (pouvant servir d’aide aux élèves)

Film facile à comprendre pour les élèves sur la pompe à chaleur « air-eau » http://www.youtube.com/watch?v=_ySDsaDZg_M&feature=share

Pompe à chaleur : Une pompe à chaleur « air-eau » peut également rafraîchir une maison en été. Le fluide caloporteur gazeux sort de la maison, à une température modérée.Il passe alors dans le compresseur, qui élève sa pression et l’échauffe. L’air extérieur, moins chaud, le refroidit dans un échangeur. Le fluide caloporteur y cède de la cha-leur et se condense. Désormais liquide et sous pression, il revient vers la maison et passe dans un détendeur qui le transforme en gaz froid. Grâce à un ventilateur, l’air intérieur traverse un évapora-teur, où circule le gaz froid, et est ainsi rafraîchi. Le gaz, qui s’est réchauffé, est redirigé vers le com-presseur, et le cycle recommence.http://www.pourlascience.f

Pompe à chaleur : http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=2266

Le Principe de fonctionnement d'une PAC est identique à celui d'un réfrigérateur.

La PAC pompe de l'énergie dans une source froide (un lac à 4°C, par exemple, comme pour le chauffage urbain de Zurich), et la réinjecte à la source chaude (un plancher chauffant par exemple). La consommation énergétique sert uniquement à mettre en mouvement les fluides (compression). La source froide doit être une source au sens physique, c'est-à-dire capable de fournir autant de chaleur que la pompe peut en puiser, sans variation de température notable.

On définit l'efficacité η d'une PAC par le rapport de l'énergie " utile ", la chaleur reçue, sur l'énergie coûteuse, le travail fourni à la PAC.

L'efficacité d'une pompe à chaleur décroît avec l'écart de température, et est limitée par la deuxième loi de la thermodynamique.

En pratique, les vendeurs de pompes à chaleur annoncent en général le rapport entre la puissance thermique de leur machine et sa consommation électrique. On lui donne par convention le nom de coefficient de performance ou COP. En outre, des contraintes techniques limitent la température la plus basse et la différence de température: impossible de rejeter de l'eau à moins de 0°C par exemple, limitations de débit par la pompe et les tuyaux, ou d'efficacité des échangeurs pour la diffé-rence de température.

Le cycle de Carnot est le cycle ditherme présentant la meilleure efficacité. Les températures T sont en Kelvin (17°C = 290 K), ce qui donne, pour un chauffage domestique, un maximum de l'ordre de 15 pour le COP_chaleur (en pratique, le COP des machines actuellement en vente n'est que de 3 ou 4).

Différences entre évaporation et ébullition

L'évaporation est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement d'état appelé vaporisation.L'évaporation ne peut avoir lieu que lorsque l'on est en présence d'un mélange de gaz. Lorsque la vapeur du liquide est le seul gaz, on n'a pas d'évaporation mais une ébullition (on peut également avoir une ébullition en présence d'un mélange de gaz).Contrairement à l'ébullition qui est un phénomène volumique (les bulles naissent dans le li-quide), l'évaporation est un phénomène surfacique (les molécules à la surface passent d'un état à l'autre).

Évaporation et ébullition sont toutes les deux des vaporisations qui absorbent de l’énergie thermique. l’eau à l’intérieur de la cruche fournit de l’énergie à cette cruche humide, favorisant l’évaporation extérieureÉvaporation : passage de l’état liquide à l’état vapeur en surface. L’évaporation s’accélère lorsque l’air est en mouvement Ébullition : Production de vapeur dans la masse d’un liquide.

Sous une pression donnée, l'ébullition a lieu à une température bien déterminée ce qui n'est pas le cas pour l'évaporation

A la base du conduit du geyser, l’eau bout à 180°C ( 453 K) sous une pression d’environ 11 bars. Au fur et à mesure que l’eau s’élève, la pression diminue et la température d’ébullition de l’eau diminue.

Evaporation ou ébullition ? autre explication.L'évaporation est une vaporisation lente. Elle se produit à toute température et uniquement à la surface libre du liquide. La vitesse d'évaporation d'un liquide donné est proportionnelle à la surface du liquide et à la différence entre la pression de vapeur saturante et la pression ac-tuelle de la vapeur au-dessus du liquide. L'évaporation se produit donc lorque la pression am-biante (celle de l'air) est supérieure à la pression de vapeur saturante du liquide et cesse lorsque pression de la vapeur devient égale la pression de vapeur saturante.On parle d'ébullition d'un liquide lorque la pression ambiante (celle de l'air) est inférieure à la pression de vapeur saturante du liquide. Le processus est généralement plus rapide.

La molécule d’eau

Composés de la

colonne 16

M (g/mol)

Tébullition

(°C)Tsolidification

(°C)

H2O 18 100 0H2S 34 - 61 - 82,9

H2Se 81 - 42 - 65,7H2Te 130 - 2 -48

L’eau est un composé « anormal » puisque ses températures d’ébullition et de solidification ne respectent pas l’ordre d’évolution des autres composés.

Coup de pouce ( pouvant être donné aux élèves) Ces écarts montrent que les forces d’attractions entre molécules d’eau sont plus importantes que pour les autres composés. Ceci provient du fait de la très grande différence d’électronégativité entre les atomes de la molécule d’eau et également que ces atomes sont très petits donc les centres positif d’une molécule peuvent s’approcher à très courtes distances des centres négatif d’une autre molécule.A l’état solide ou liquide, les molécules d’eau sont fortement associées selon des schémas tels que :

Expériences. (vidéos)

http://cpge.pissarro.free.fr/VideosPhysique/EvaporationEndothermique.html

http://cpge.pissarro.free.fr/VideosPhysique/EbullitionBassePression.html

H

OH

H

OH H

O

H

HO

H

HO

H

H

OH