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C hapitre 3

Changements d’état
et transferts thermiques
Découvrir
Activité documentaire n° 1
Air humide et condensation
• Exploiter :

1. L’eau contenue dans l’air est sous forme de vapeur.
2. La masse maximale de vapeur dans l’air augmente avec la température de l’air (2e ligne du
tableau).

3. Un air trop sec entraîne un assèchement de la peau et des muqueuses.
4. La condensation d’une partie de la vapeur d’eau (contenue dans l’air) en eau liquide se produit

à la surface de toute paroi dont la température de surface vérifie : θsurface < θrosée.

5. Par lecture dans le tableau, la température de rosée vaut : θrosée = 4,6 °C.

Activité expérimentale n° 2
Effet thermique de l’évaporation
• Exploiter :

1. L’eau contenue dans le coton s’évapore, elle devient vapeur.
2. Voici quelques sources d’erreurs possibles : montage mal réalisé, eau mal thermostatée :

θeau < θair , ventilation d’air chaud, précision de l’appareil de mesure : ± 1 %.

3. Les mesures effectuées ont fourni les résultats suivants (compter une dizaine de minutes) :

θsec = 21,2 °C avec une incertitude de 1 % soit θsec = 21,2 °C ± 0,2 °C
θhum = 17,1 °C avec une incertitude de 1 % soit θhum = 17,1 °C ± 0,2 °C.

4. L’évaporation de l’eau nécessite de l’énergie (elle reçoit de l’énergie). La température qui baisse

© NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit.

montre que c’est l’agitation thermique de l’environnement de l’eau qui s’évapore qui fournit
l’énergie nécessaire.

Démarche d’investigation n° 3

La température du point de rosée au laboratoire est-elle supérieure ou
inférieure à 0 °C le jour de votre TP ?
• Travail à réaliser :

1. On remplit un grand bécher ou un petit cristallisoir avec un mélange eau froide + glaçons.
Après avoir remué le mélange pour que la température soit homogène, on plonge un thermomètre.
Après environ 10 min, les observations de la face extérieure du bécher permettent de conclure.
2. Réalisation de l’expérience.
3. L’apparition de gouttes de condensation d’eau sur la surface extérieure du bécher indique que

0,0 °C < θrosée .

Chapitre 3 - Changements d’état et transferts thermiques

17

Extraire l’information utile
Bioclimatisation
• Exploiter :
1. La vaporisation de l’eau nécessite un apport d’énergie. L’air chaud fournit cette énergie permettant ainsi au changement d’état de se réaliser.
2. La ventilation forcée d’un bioclimatiseur est le facteur favorisant l’évaporation de l’eau (par
rapport à la convection naturelle), donc le refroidissement de l’air.
3. De l’air entrant saturé en eau ne peut pas contenir davantage de vapeur. L’évaporation est
compensée par la condensation, l’air entrant ne se refroidit plus.
4. LV désigne l’enthalpie de changement d’état de vaporisation.

Réaliser un TP
Transition liquide-vapeur
• Exploiter Expérience n° 1 :
Les données expérimentales sont les suivantes :
m = 23,90 g ; t = 15 min 36 s ; U = 14,0 V ; I = 4,78 A.
1. La puissance fournie à la résistance est le produit de la tension par l’intensité du courant :
Pélec = UI
Pélec = 14,0 × 4,78 = 66,9 W.
2. L’énergie reçue par la résistance chauffante est le produit de la puissance par le temps :
Eélec = Pélec .t
Eélec = 66,9 × 936 = 62,6 · 103 = 62,6 kJ.
3. Le calorimètre doit rester ouvert afin que la vapeur puisse s’échapper, sinon, la masse totale de
vapeur formée est inconnue.
4. La conservation de l’énergie implique :
E
Eélec = mvapeur .LV ⇔ LV = élec
mvapeur
3
62,6 × 10
LV =
= 2,62 × 106 J.
23,9 × 10–3
5. La valeur obtenue expérimentalement est supérieure de 16 % à la valeur de référence
(LV = 2,26 × 106 J · kg–1). Toute l’énergie électrique absorbée ne sert pas exclusivement à vaporiser
l’eau, une partie est cédée à l’extérieur.

1.

18

P [pa]

95 100

92 000

89 000

85 400

82 000

78 600

q [°C]

97,0

96,0

95,0

94,0

93,0

92,0

P [pa]

75 600

72 300

69 700

67 300

64 500

61 600

q [°C]

91,0

90,0

89,0

88,0

87,0

86,0

© NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit.

• Exploiter Expérience n° 2 :

Voici la courbe recherchée :
P = f (θ)

Prévision vapeur d’eau (Pa)

120 000
100 000
80 000
60 000
40 000
20 000
0
84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99
Température (°C)

2. Par lecture graphique : pour P = 0,80 bar, la courbe indique une température d’ébullition
θ = 92,3 °C.

S’entraîner
Testez vos connaissances
1. a) ; 2. a) ; 3. a) et b) ; 4. b) ; 5. c) ; 6. a), b) et c) ; 7. b) ; 8. a) et c) ; 9. b) et c) ; 10. b) ; 11. a)

Applications directes du cours
12 pour être en phase
1. Classement en fonction de l’état de l’eau :
État solide

Grêle, neige, givre

État liquide

Pluie, buée, brouillard, nuages

2. La vapeur d’eau est incolore puisque transparente.

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13 Sèche-linge
1. Pour un sèche-linge à évacuation : l’eau liquide contenue dans le linge est vaporisée au passage de l’air chaud. C’est le seul changement d’état.
2. Pour le sèche-linge à condensation, deux changements d’état de l’eau interviennent : l’eau
liquide contenue dans le linge est vaporisée au passage de l’air chaud, puis l’air chaud humide est
refroidi pour condenser l’eau vapeur en eau liquide avant d’être évacuée.
14 Cuisine montagnarde
1. Dans le diagramme d’état, la courbe de vaporisation sépare l’état liquide de l’état vapeur (gaz).
2. La courbe de vaporisation indique que la température d’ébullition diminue lorsque la pression

atmosphérique devient plus faible, ce qui est le cas en montagne.

15 Nettoyage à la vapeur
1. L’énergie nécessaire pour vaporiser l’eau s’exprime par :
DE1 = m · LV
DE1 = 1,5 × 2,20 × 106 = 3,3 × 106 J.
Chapitre 3 - Changements d’état et transferts thermiques

19

2. Lors de la condensation, l’enthalpie massique de changement d’état est négative :
DE2 = m(– LV)
DE2 = 1,5 × (– 2,20 × 106) = – 3,3 × 106 J.
16 Lecture du diagramme d’état (P, T)
1. La lecture du diagramme indique que l’eau se trouve sous forme de vapeur.
2. Il faut indiquer le point pour P = 1 400 Pa et θ = – 17 °C. L’eau se trouve à l’état solide.
3. Il s’agit d’une condensation. Les deux courbes traversées sont les courbes de vaporisation et
de fusion.
4. Par lecture graphique, on obtient que tout élément rencontré par la vapeur et dont la température est inférieure à 24 °C engendrera de la condensation d’une partie de la vapeur sur ce dernier.

17 Extincteur
1. Par lecture du diagramme d’état (P = 70 bar ; θ = 20 °C) on aboutit à un point se situant sur la
courbe de vaporisation. L’état du système correspond donc à un mélange liquide-vapeur.
2. De la neige carbonique correspond à du dioxyde de carbone sous forme solide.
3. Par lecture graphique, sous une pression P = 1,0 bar, le dioxyde de carbone est solide pour toute
température telle que : θ < – 80 °C.
4. Lors de l’utilisation de l’extincteur, le dioxyde de carbone sort sous forme de neige carbonique.
Sa température maximale sera donc θ = – 80 °C (plus précisément : – 78,5 °C).
5. Après utilisation, la neige carbonique va se sublimer en prenant l’énergie nécessaire par transfert thermique de tout ce qui l’entoure.

18 Souffler sur sa soupe
1. Dans l’eau vapeur, il n’y a quasi aucune liaison hydrogène entre les molécules d’eau : elles sont
pratiquement libres. Dans l’eau liquide, chaque molécule d’eau réalise en moyenne 3,5 liaisons
hydrogène avec ses plus proches voisines.
2. L’eau sous forme vapeur est transparente, incolore.
3. L’eau liquide va s’évaporer plus rapidement sous l’effet du souffle. L’eau restant liquide verra sa
température baisser puisqu’elle fournit l’énergie nécessaire pour assurer l’évaporation.

19 Le toit dégèle

20 Cuivre fondu
DE = m.Lf
DE = 2,3 × 205 = 471,5 kJ.

21 Hygrométrie idéale
HR . PVS(T)
100
30 × 3 166
= 949,8 Pa.
à 25 °C, pour HR = 30 % : PVap =
100
50 × 3 166
= 1 583 Pa.
à 25 °C, pour HR = 50 % : PVap =
100
2. Pour faire sécher du linge, il faut que l’eau liquide puisse s’évaporer. Le degré d’hygrométrie doit
donc être inférieur à 100 %. Plus sa valeur sera faible, plus le séchage sera rapide.

1. La pression de vapeur dans l’air s’exprime par PVap =

20

© NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit.

1. Pour toute température supérieure à celle du point triple de l’eau (θtriple = 0,01 °C), la transformation solide-liquide est la fusion. La neige subit donc une fusion pour se transformer en eau
liquide à la température θ = 5,0 °C.
2. Pour toute température inférieure à celle du point triple de l’eau, la transformation du solide
(la neige) est une sublimation. La neige se sublime en eau vapeur à la température θ’ = – 5,0 °C.

Exercices d’entraînement
22 Phénomène de paroi froide
1. Un tableur permet d’obtenir la courbe recherchée.
Pression de vapeur saturante

Prévision vapeur d’eau (Pa)

2 500
2 000
1 500
1 000
500
0
8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Température (°C)

© NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit.

2. Les points expérimentaux ne sont pas alignés. PVS ne varie donc pas linéairement avec la tem-

pérature.
3. Par lecture graphique, on obtient la pression de vapeur saturante à 17 °C : PVS(17 °C) = 1 950 Pa.
On en déduit ensuite la pression de la vapeur d’eau correspondant à un degré d’hygrométrie
de 50 % :
H × PVS(17 °C)
PVap = R
100
50 × 1 950
= 975 Pa.
PVap =
100
4. Il faut tout d’abord lire graphiquement la pression de vapeur saturante pour ces deux nouvelles
températures :
PVS(19 °C) = 2 200 Pa.
PVS(15 °C) = 1 700 Pa.
On peut ensuite en déduire le degré d’hygrométrie correspondant à PVap = 975 Pa pour ces deux
températures :
P
HR = 100 × Vap .
PVS(T)
975
= 44 %
à 19 °C : HR = 100 ×
2 200
975
= 57 %.
à 15 °C : H’R = 100 ×
1 700
5. La pression de vapeur saturante à la température de 10 °C est l’une des données du tableau
de valeurs : PVS(10 °C) = 1 230 Pa. Cette valeur correspond à la valeur maximale de la pression de
vapeur à 19 °C pour qu’il n’y ait pas condensation : PVap = 1 230 Pa.
Il faut ensuite calculer le degré d’hygrométrie correspondant à la température de 19 °C, la pression de vapeur saturante à cette température ayant été trouvée à la question 4. :
P
HR = 100 × Vap
PVS(T)
1 230
= 60 %.
HR = 100 ×
2 200
Il n’y aura donc pas de condensation si le degré d’hygrométrie reste inférieur à 60 %.

Chapitre 3 - Changements d’état et transferts thermiques

21

23 La bonne douche chaude
1. L’énergie nécessaire à l’évaporation de la pellicule d’eau provient de son environnement : l’air,
mais surtout la peau.
2. Il faut fournir de l’énergie pour rompre les liaisons hydrogène.
3. Pour « casser » une liaison hydrogène, il faut fournir de l’énergie : le signe sera positif.

24 Dégivrage du pare-brise
1. Il faut exprimer la masse à faire fondre par : m = r · V = r · S · e
m = 920 × 0,6 × 0,2 × 10–3 = 0,110 kg.
On peut ensuite calculer l’énergie nécessaire à la fusion de cette masse de glace :
DE = m · LF
DE = 0,110 × 334 × 103 = 36,9 × 103 J = 36,9 kJ.
2. La puissance représente la rapidité à laquelle cette énergie doit être fournie par la résistance :
DE
P=
t
36,9 × 103
= 246 W.
P=
2,5 × 60
3. À partir de la puissance électrique :
P
I=
U
245,8
I=
= 20,5 A.
12
25 Piscine
pression de vapeur saturante : PVap = PVS. En remplaçant dans l’expression de l’énoncé, on montre
que l’évaporation est nulle dans ce cas :
e = 484 × 10–6(1 + 0,6v)(PVS – PVap) = 0,0 mm · jour–1.
2. Par définition du degré d’hygrométrie :
H × PVS(T)
PVap = R
100
30 × 3 166
= 949,8 Pa.
PVap =
100
3. Par application de la relation fournie dans l’énoncé, on obtient l’épaisseur d’eau évaporée
e = 484 × 10–6(1 + 0,6 × 2)(3 166 – 949,8) = 2,36 mm.
Cette épaisseur est perdue sur toute la surface de la piscine, soit : V = L · ,· e
V = 25 × 12,5 × 2,36 × 10–3 = 0,737 m3.
4. Il faut exprimer la masse évaporée par : m = r · V
m = 1 000 × 0,737 = 737 kg.
On peut ensuite calculer l’énergie nécessaire à la vaporisation de cette masse : DE = m.LV
DE = 737 × 2,55 × 106 = 1,88 × 109 J = 1,88 GJ.

26 Toiture végétalisée
1. Il convient de ne pas confondre état physique et changement d’état. Les deux états physiques
de l’eau sont l’eau liquide et l’eau vapeur.
2. L’évaporation de l’eau par une toiture végétalisée a pour avantage : de réguler les écoulements
des précipitations, de réguler l’étanchéité de la toiture, d’augmenter l’hygrométrie de l’air en été,
de permettre une labellisation HQE.

27 OBJECTIF BAC Produire des glaçons à la maison
1. La masse d’eau restera inchangée si l’eau ne s’évapore pas tant qu’elle est liquide et si la glace
ne se sublime pas. Il faut donc que l’évaporation et la sublimation puissent être négligeables.
22

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1. Dans le cas d’une hygrométrie de 100 %, la pression de l’eau sous forme de vapeur est égale à la

2. Énergie à fournir pour refroidir l’eau liquide de θ1 = 10,0 °C jusqu’à θF = 0,0 °C :

DE1 = m · ceau liquide(qF – q1)
DE1 = 0,150 × 4 200 × (0,0 – 10) = – 6,3 × 103 J.
3. Énergie à fournir pour réaliser la solidification de la glace à θF = 0,0 °C : DE2 = m(– LF)
DE2 = 0,150 × (– 334 × 103) = – 50,1 × 103 J.
Durant tout le changement d’état la température reste fixe.

4. Énergie à fournir pour refroidir la glace de θF = 0,0 °C jusqu’à θ2 = – 17 °C :
DE1 = m.cglace(q2 – qFusion)
DE1 = 0,150 × 2 100 × (– 17 – 0,0) = – 5,36 × 103 J.

Remarque : toutes les énergies calculées sont négatives car l’énergie de la glace doit être cédée
au milieu extérieur : le congélateur.

28 It’s in English
Énoncé
On parle de déshumidification lorsqu’il s’agit d’éliminer de l’humidité à l’état de vapeur.
On peut alors utiliser un déshumidificateur dont le principe de fonctionnement est le suivant :
un ventilateur aspire l’air humide de la pièce, le filtre, le dirige vers un condenseur qui est à une
température très inférieure à celle de l’air. La vapeur d’eau contenue dans l’air est condensée en
eau liquide puis récoltée dans un réservoir. L’air ainsi « asséché » ressort dans la pièce.
1. Citer quelques inconvénients d’un air trop humide dans une habitation.
2. Quel changement d’état permet la déshumidification de l’air ?
3. Que devient l’eau liquide ?

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Corrigé
1. Un air trop humide entraîne la prolifération de moisissures.
2. C’est la condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air qui permet de déshumidifier l’air.
3. L’eau liquide est récoltée dans un réservoir.

Chapitre 3 - Changements d’état et transferts thermiques

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