Chaleur et changement de phase – problèmes et solutions

Chaleur et changement de phase – problèmes et solutions

1. D'après le graphique, quelle est la chaleur absorbée par 5 kg d'eau au cours du processus CD ? Chaleur spécifique de l'eau = 4 200 J/kg ^o C.

Connu :

Masse (m) = 5 kg

Chaleur spécifique de l'eau (c) = 4200 J/kg ^° C

Température initiale (T1 ₎ = 0 ^° C

Température finale (T2 ₎ = 10 ^° C

La variation de température (ΔT) = 10 ^° C – 0 ^° C = 10 ^° C

Recherché : Chaleur (Q)

Solution:

Q = mc ΔT = (5 kg)(4200 J/kg ^° C)(10 ^° C) = (5)(4200 J)(10) = (50)(4200 J) = 210 000 joules

2. Quelle est la chaleur absorbée par 20 grammes de glace au cours du processus AC, si la chaleur spécifique de la glace est de 2100 J/kg ^o C et la chaleur de fusion de la glace est de 336 000 J/kg.

Connu :

Masse de glace (m) = 200 grammes = 200/1000 kilogrammes = 0.2 kilogrammes

Chaleur spécifique (c) = 2100 J/kg ^° C

Chaleur de fusion de la glace (L_{_F} ) = 336 000 J/kg

Recherche : Chaleur absorbée par la glace lors du processus de climatisation

Solution:

Au cours du processus AB, la chaleur est absorbée par la glace pour modifier sa température de -10 ^° C à 0 ^° C.

Q = mc ΔT

Q = chaleur, m = masse de glace, c = chaleur spécifique de la glace, ΔT = variation de température

Q₁ = mcΔT = (0.2)(2100)(0-(-10)) = (0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 _joules

Lors du procédé BC, la chaleur est absorbée pour faire fondre toute la glace et la transformer en eau. Ce procédé ne modifie que l'état de la glace et de l'eau, sans variation de température. La température de la glace et de l'eau reste à 0 ^° C.

Chaleur absorbée pendant le processus BC :

Q₂ = mLF ₌ (0.2 kg)(336 000 J/kg) = 67 200 _joules

Chaleur absorbée pendant le processus de climatisation :

Q = _Q₁ + Q₂ ₌ 4200 joules + 67,200 joules = 71,400 joules

3. On chauffe 2 kg d'eau, et la chaleur de vaporisation de l'eau = 2.27 x 10⁶ ^J /kg, la chaleur spécifique de l'eau = 6 4,200 J/kg ^° C et la pression atmosphérique est de 1 atm, quelle est la chaleur absorbée par l'eau pendant le processus BC ?

Connu :

Masse (m) = 2 kg

Chaleur de vaporisation de l'eau (L_{_V} ) = 2.27 x 10^⁶ J/kg

Chaleur spécifique de l'eau (c) = 4 200 J/kg ^° C

Recherche : Chaleur absorbée pendant le processus BC.

Solution:

Dans le procédé AB, de la chaleur est absorbée pour augmenter la température de l'eau de 60 ^° C à 100 ^° C.

Q = m L _V = (2 kg)(2.27 x 10⁶ ^J /kg) = 4.54 x 10⁶ ^joules = 4540 x 10³ ^joules = 4540 kilojoules

4. D'après la figure ci-dessous, si la masse de glace est de 500 grammes, sa chaleur spécifique de 2100 J/kg ^° C et sa chaleur latente de fusion de 336 000 J/kg, déterminez la chaleur requise lors du processus P–Q–R.

Connu :

Masse de glace (m) = 500 grammes = 500/1000 kg = 0.5 kg

Chaleur spécifique de la glace (c) = 2100 J/kg ^° C

Chaleur latente de fusion (L_{_F} ) = 336 000 J/kg

Recherche : Chaleur

Solution:

Processus PQ = chaleur absorbée pour élever la température de la glace de -4 ^° C à 0 ^° C

Processus QR = chaleur absorbée par la glace pour faire fondre toute la glace en eau

Chaleur absorbée pendant le processus PQ calculée à l'aide de l'équation :

Q = mc ΔT

Q = chaleur, m = masse, c = chaleur spécifique de la glace, ΔT = variation de température

Chaleur absorbée par la glace pendant le processus PQ calculée à l'aide de cette équation :

Q = (0.5 kg)(2 100 J/kg ^o C)(0 ^o C-(-4 ^o C))

Q = (0.5 kg)(2 100 J/kg ^o C)(0 ^o C + 4 ^o C)

Q = (0.5 kg)(2 100 J/kg ^o C)(4 ^o C)

Q = (0.5)(2100 J)(4)

Q = 4200 joules

Chaleur absorbée pendant le processus QR calculée à l'aide de cette équation :

Q = m L _F

Q = (0.5 kg)(336 000 J/kg)

Q = (0.5)(336 000 J)

Q = 168,000 joules

Chaleur totale :

Q = 4200 joules + 168 000 joules

Q = 172,200 joules

Q = 172.2 kilojoules

Q = 172.2 kJ

5. De la glace d'une masse de 50 grammes est chauffée de -5 ^° C à de l'eau à 60 ^° C. Si la chaleur de fusion de la glace est de 80 cal/gramme, la chaleur spécifique de la glace est de 0.5 cal/gramme ^° C, la chaleur spécifique de l'eau est de 1 cal/gramme ^° C, déterminez la chaleur requise dans le processus CD.

Connu :

Masse de glace = masse d'eau (m) = 50 grammes

Chaleur latente de fusion de la glace (L_{_F} ) = 80 cal/gramme

Chaleur spécifique de la glace (c_glace) = 0.5 cal/gramme ^° C

Chaleur spécifique de l'eau (c eau) = 1 cal/gramme ^° C

Recherche : Chaleur nécessaire au processus CD

Solution:

Dans le processus A à B, la chaleur est utilisée pour élever la température de la glace de -5 ^° C à 0 ^° C. La chaleur est calculée à l'aide de cette équation : Q = mc ΔT, où Q = chaleur, m = masse de glace, c = chaleur spécifique de la glace, ΔT = le changement de température de -5 ^° C à 0 ^° C.

Dans le processus B à C, la chaleur est utilisée pour faire fondre toute la glace et la transformer en eau. La température reste constante. La chaleur est calculée à l'aide de l'équation suivante : Q = m L _F , où Q représente la chaleur, m la masse de glace et L _F la chaleur latente de fusion de la glace.

Dans le processus C à D, la chaleur est utilisée pour élever la température de l'eau de 0 ^° C à 60 ^° C. La chaleur est calculée à l'aide de cette équation : Q = mc ΔT, où Q = chaleur, m = masse d'eau, c = chaleur spécifique de l'eau, ΔT = le changement de température de 0 ^° C à 60 ^° C.

La chaleur requise pour passer du processus C au processus D :

Q = mc ΔT = (50 g)(1 cal/g ° ^C )(60 ^° C - 0 ^° C) = (50)(1)(60) cal = 3000 cal

6. Si la masse de glace est de 1 kg, la chaleur spécifique de la glace est de 2100 J/kg ^° C, la chaleur latente de fusion de la glace est de 336 000 J/kg et la chaleur spécifique de l'eau est de 4200 J/kg ^° C, déterminez alors la chaleur requise dans le processus PQR.

Connu :

Masse de glace = 1 kg

Chaleur latente de fusion de la glace (L_{_F} ) = 336 000 J/kg

Chaleur spécifique de la glace (c_glace) = 2 100 J/kg ^° C

Chaleur spécifique de l'eau (c_eau) = 4 200 J/kg ^° C

Recherche : Chaleur nécessaire au processus PQR

Solution:

Dans le processus P à Q, la chaleur est utilisée pour élever la température de la glace de -5 ^° C à 0 ^° C. La chaleur est calculée à l'aide de cette équation : Q = mc ΔT, où Q = chaleur , m = masse de glace , c = chaleur spécifique de la glace, ΔT = le changement de température de -5 ^° C à 0 ^° C.

Chaleur requise dans le processus P à Q :

Q = mc ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 Joules

Dans le processus Q à R, la chaleur nécessaire pour faire fondre toute la glace en eau est calculée à l'aide de l'équation suivante : Q = m L _F , où Q = chaleur , m = masse de glace et L _F = chaleur latente de fusion de la glace.

Chaleur requise dans le processus Q à R :

Q = m L _F = (1)(336 000) = 336 000 Joules

Chaleur totale :

10 500 + 336 000 = 346 500 joules

1. Qu'est-ce que la chaleur latente ?
   • Compagnie de SolutionLa chaleur latente est l'énergie thermique nécessaire pour changer l'état d'une substance sans modifier sa température. Elle représente l'énergie requise pour rompre ou former des liaisons intermoléculaires lors des changements d'état.
2. Pourquoi la température reste-t-elle constante lors d'un changement de phase ?
   • Compagnie de SolutionLors d'un changement de phase, toute l'énergie thermique fournie ou absorbée est utilisée pour modifier l'état de la substance. Cette énergie sert à rompre ou à former des liaisons intermoléculaires, et non à augmenter l'énergie cinétique ou la température de la substance.
3. Quelle est la différence entre la chaleur latente de fusion et la chaleur latente de vaporisation ?
   • Compagnie de SolutionLa chaleur latente de fusion désigne l'énergie thermique nécessaire pour faire passer une substance de l'état solide à l'état liquide (ou inversement) à son point de fusion. La chaleur latente de vaporisation désigne l'énergie thermique nécessaire pour faire passer une substance de l'état liquide à l'état gazeux (ou inversement) à son point d'ébullition.
4. Pourquoi avons-nous froid en sortant d'une piscine par temps venteux, même si la température de l'air est chaude ?
   • Compagnie de SolutionLorsque l'eau s'évapore de notre peau, elle passe de l'état liquide à l'état gazeux. Ce processus nécessite de l'énergie, qui est puisée dans notre peau sous forme de chaleur, ce qui nous donne une sensation de fraîcheur.
5. Pourquoi la vapeur à 100 °C est-elle plus dangereuse que l'eau bouillante à 100 °C ?
   • Compagnie de SolutionLa vapeur d'eau contient plus d'énergie que l'eau bouillante car elle a absorbé la chaleur latente de vaporisation lors du changement d'état de l'eau en vapeur. Lorsque la vapeur se condense au contact de la peau, elle libère cette énergie supplémentaire, provoquant des brûlures plus graves que l'eau bouillante.
6. Comment l'ajout de sel à la glace abaisse-t-il son point de fusion ?
   • Compagnie de SolutionL'ajout de sel perturbe l'équilibre entre la fusion et la solidification du mélange eau-glace. Il en résulte une fonte plus importante de la glace à une température plus basse que d'habitude, ce qui abaisse le point de congélation du mélange.
7. Pourquoi la transpiration contribue-t-elle à rafraîchir le corps par temps chaud ?
   • Compagnie de SolutionLa sueur, en s'évaporant de la peau, subit un changement d'état, passant de l'état liquide à l'état gazeux. Ce processus d'évaporation nécessite de l'énergie, qui est puisée dans la peau, ce qui la refroidit.
8. Qu’est-ce que la sublimation dans le contexte des changements de phase ?
   • Compagnie de SolutionLa sublimation est le passage direct de l'état solide à l'état gazeux, sans passer par l'état liquide. Un exemple courant est celui de la glace sèche (dioxyde de carbone solide) qui se transforme directement en dioxyde de carbone gazeux.
9. Pourquoi faut-il de l'énergie thermique pour faire fondre la glace alors que la température reste à 0°C ?
   • Compagnie de SolutionL'énergie thermique est utilisée pour rompre les liaisons intermoléculaires qui maintiennent la glace dans sa structure solide. Une fois ces liaisons rompues, la glace passe à l'état liquide, même en l'absence de variation de température.
10. Comment la pression influence-t-elle le point d'ébullition d'un liquide ?

• Compagnie de SolutionEn général, l'augmentation de la pression extérieure élève le point d'ébullition d'un liquide, tandis que sa diminution le diminue. C'est pourquoi l'eau bout à des températures inférieures à 100 °C en haute altitude, où la pression atmosphérique est plus faible.