🧊 De la glace à la vapeur : les changements d'état
On allume le feu sous une casserole pleine de glaçons et… le thermomètre reste bloqué à 0 °C pendant de longues minutes. Le chauffage serait-il en panne ? Pas du tout : toute l'énergie sert à démolir le cristal de glace. Règle la masse et la puissance, regarde la courbe dessiner ses paliers et les molécules s'échapper une à une.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Tant qu'il reste de la glace, la température reste bloquée à 0 °C : c'est le palier de fusion. Même chose à 100 °C pendant l'ébullition.
- Pendant un palier, l'énergie reçue ne fait pas monter la température : elle sert à rompre les liaisons entre les molécules (les liaisons hydrogène du cristal, puis celles du liquide).
- Le palier d'ébullition dure environ 7 fois plus longtemps que celui de fusion : séparer complètement les molécules coûte bien plus d'énergie que défaire le cristal.
- Les pentes ne sont pas les mêmes : l'eau liquide chauffe deux fois moins vite que la glace ou la vapeur, car sa capacité thermique massique est deux fois plus grande.
- Dans la vue microscopique, le solide est ordonné et vibre sur place, le liquide est désordonné mais compact, le gaz est dispersé et très agité.
Expériences à faire
- Double la masse de glace : que deviennent les durées des paliers ?
- Double la puissance : les paliers sont-ils toujours à 0 °C et à 100 °C ? Durent-ils moins longtemps ?
- Combien d'énergie faut-il pour vaporiser 1 kg d'eau ? Compare avec l'énergie qu'il faut pour la chauffer de 0 à 100 °C.
- Pourquoi la pente de la courbe change-t-elle entre la glace, l'eau liquide et la vapeur ?
- Pars d'une glace à −50 °C, ou choisis « ✏️ Mes valeurs » pour reprendre les données d'un exercice (Lfus = 330 kJ/kg…) : retrouves-tu les durées des paliers calculées à la main ?
La physique derrière l'animation
- Énergie pour changer la température d'un corps sans changement d'état : Q = m c ΔT, où c est la capacité thermique massique.
- Énergie de changement d'état, à température constante : Q = m L, avec Lfus = 334 kJ/kg et Lvap = 2 257 kJ/kg pour l'eau sous 1 atm.
- Avec une puissance P constante et sans pertes, Q = P × t : le palier de fusion dure Δt = m Lfus / P.
- Valeurs : cglace = 2,06 kJ·kg−1·K−1, ceau = 4,18 kJ·kg−1·K−1, cvapeur ≈ 2,0 kJ·kg−1·K−1. Amener 1 kg de glace de −20 °C à de la vapeur à 150 °C demande environ 3,15 MJ.
- Modèle : pression atmosphérique, aucune perte de chaleur, température uniforme, temps accéléré 40 fois ; la vue microscopique est un schéma à 40 molécules.
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