La matière et l’énergie (FOUCHER)

Ch1 : Les Etats et  les changements d’Etats

1/ Généralités sur les états de la matière : l’eau

·         Au niveau macroscopique

On distingue trois états habituels :

-      Solide : a une forme qui ne dépend pas de celle du récipient qui le contient.

-      Liquide : n’a pas de forme propre, il épouse celle du récipient qui le contient.

-      Gaz : n’a pas de forme propre, il prend la forme du récipient qui le contient et occupe tout l’espace disponible.

·         Au niveau microscopique

o   Atomes et molécules

La matière est constituée d’atomes, de molécules et d’ions. Une molécule est constituée d’un ensemble d’atomes.

L’état physique d’un corps dépend de l’ordonnancement des atomes, des molécules ou des ions qui constituent la matière, de leurs mouvements et des forces qu’ils exercent entre eux.

o   Les Etats de l’eau : la molécule et la liaison hydrogène

Les différents états de l’eau dépendent de la façon dont les molécules d’eau s’agencent les unes par rapport aux autres.

-      Etat solide : Glaçon, les molécules d’eau forment un ensemble rigide très organisé. L’espacement entre les molécules est plus élevé que pour l’eau liquide. Etat compact et organisé.

-      Etat liquide : Eau liquide, les molécules d’eau sont agitées, proches les unes des autres. L’ensemble n’est pas rigide. Etat compact et désordonné.

-      Etat de gaz : les molécules d’eau sont dispersées. Il n’existe que très peu de liaisons d’hydrogènes entre elles. Elles sont très agitées. Etat dispensé et désordonné.

Contrairement à la plupart des corps, l’eau solide occupe plus de place que l’eau liquide. Bien qu’il y ait autant de liaisons hydrogène dans la glace que dans l’eau liquide, dans la glace elles sont rectilignes alors que dans l’eau liquide elles sont tordues. Les distances entre molécules d’eau sont donc légèrement supérieures dans la glace à ce qu’elles sont dans l’eau liquide. Les molécules d’eau sont ainsi plus éloignées les unes des autres. Il y a donc plus de « vide » dans la glace que dans l’eau liquide, c’est pourquoi la glace est moins dense. Cela explique aussi que lorsqu’une bouteille ou une canalisation pleine d’eau gèle, elle se brise : la glace étant moins dense que l’eau liquide, une même quantité d’eau occupe un volume plus grand sous forme de glace qu’à l’état liquide ; cela signifie qu’en gelant l’eau se dilate, faisant éclater bouteilles et canalisations.

La vapeur d’eau est invisible. Lorsque l’eau est visible, c’est qu’elle se trouve sous forme solide ou liquide.

2/ Changements d’&états de l’eau (voir annale)

Les changements d’eau sont des transitions entre deux états physiques de la matière. Ils sont associés à un réarrangement microscopique. Au cours des changements d’états de l’eau pure, la température reste constante. Cette température correspond au moment où les états en jeu dans la transformation coexistent.

La quantité de matière (et la masse) de l’eau reste, constante tandis que le volume, lui, diminue ou augmente.

·         Quelques exemples de changements d’états de l’eau (voir annale)

o   La fusion

Le volume de l’eau liquide est inférieur à celui d’une même masse de glace. L’agencement des molécules d’eau permet de comprendre ce phénomène.

o   La solidification

o   La vaporisation

L’ébullition est un cas particulier de vaporisation. Elle correspond au passage rapide de l’état liquide à l’état gazeux sous l’effet d’une chaleur importante. A la pression atmosphérique normale, la température d’ébullition de l’eau pure est de 100°c. 

L’évaporation consiste en une autre modalité de vaporisation. Elle s’effectue de façon plus lente et en dessous de 100°c pour l’eau. Les molécules d’eau  liquide sont agitées et bougent. Celles qui sont le plus agitée vont passer dans la phase gazeuse et l’enrichir et ceci tant que l’air n’est pas saturé en molécules d’eau vapeur.

·         Rôle de la pression

A la pression atmosphérique normale, l’eau pure bout à 100°c. Mais dans une cocotte minute, l’eau bout à 120°c environ. En effet, la température d’ébullition de l’eau dépend de la pression. (voir annale : diagramme de l’eau).

A la pression atmosphérique normale, l’eau passe de l’état solide à l’état liquide à 0°c et de l’état liquide à l’état gazeux à 100°c.

A une pression supérieure, la température de fusion diminue, et la température d’ébullition augmente.

3/ Le cycle de l’eau dans la nature

On entend par « cycle de l’eau » les mécanismes relatifs aux phénomènes hydrologiques concernant les mouvements et le renouvellement des eaux sur Terre.  (Voir annale pour schéma)

Ch2 : Les mélanges et les solutions

1/ Vocabulaire

Un corps pur est une substance constituée d’une seule espèce chimique :

-      Corps purs simples : l’espèce chimique n’est constituée que d’un seul type d’atome.

-      Corps purs composés : l’espèce chimique est constituée d’atomes de nature différente.

Lorsque coexistent plusieurs éléments chimiques, on a affaire à un mélange :

-      Mélange homogène ne comporte d’une phase unique. Celui-ci est obtenu lorsque la substance ajoutée au solvant est soluble (solide ou gaz) ou miscible (liquide).

o   La dissolution consiste à disperser une faible quantité d’une substance (soluté) dans une grande quantité de liquide (solvant). Le mélange obtenu est appelé solution.

o   La concentration massique (en g/L) d’une solution  est égale à la masse de soluté dissout, par litre de solution.

o   La solubilité est limitée. Lorsque la masse de cette substance est supérieure à cette limite, on dit que la solution est satur&ée. Dans ce cas, un surplus de substance ne sera pas dissout.

-      Mélange hétérogène comporte plusieurs phases visibles. Celui-ci obtenu lorsque la substance ajoutée au solvant est insoluble ou non miscible.

Si l’on mélange l’huile à l’eau, on obtient une émulsion : de fines gouttelettes d’huile se dispersent dans l’eau. Le mélange dans l’eau n’est pas homogène et surtout il est instable, c'est-à-dire que l’eau et l’huile finissent toujours par se séparer. En ajoutant un émulsifiant, le mélange eau/huile se stabilise.

On ne peut pas parler de température de changement d’état d’un mélange. Ainsi, dans le cas de l’eau salée, il n’y a pas de palier de fusion/solidification. D’autre part, plus le mélange est salé, plus il peut rester liquide à des températures basses. En effet, les ions en solution ralentissent la rigidification des liaisons d’hydrogènes.

La fumée et le brouillard sont deux exemples de mélanges qu’il convient de distinguer. La fumée résulte de la dispersion de fines particules solide dans un gaz, tandis que le brouillard est formé de fines gouttelettes liquides dispersées dans un gaz.

Il ne faut pas confondre la fusion et la dissolution. Dans l’eau le sel ne « fond pas » mais se disperse.

2/ Séparer les constituants des mélanges

·         Séparer les constituants des mélanges hétérogènes

o   La décantation consiste à laisser reposer le mélange. Les constituants se séparent sous l’effet de la gravité.

o   La filtration permet de séparer les constituants de mélanges hétérogènes liquide/solide. Plus la maille du filtre est fine et plus le filtrat sera limpide.

·         Séparer les constituants des mélanges homogènes

La distillation met en jeu deux changements d’états successifs : l’ébullition et la liquéfaction. Cette technique est utilisée pour les mélanges liquide/liquide et pour les mélanges liquide/solide. Il est possible de séparer certains mélanges liquide/solide par simple évaporation. C’est sur ce principe que fonctionnent les marais salants.

Voir annale (station de traitement des eaux usées)

Ch3 : Les propriétés des gaz

1/ Généralités sur l’air, mélange de gaz

-      Constitution : l’air que nous respirons est un mélange de gaz essentiellement constitué de molécules de diazote (78%) et de molécules de dioxygène (21%). La vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, l’argon forment également quelques uns des gaz présents dans l’air (1%).

-      Mise en évidence : l’air est invisible, inodore et insipide. Certaines situations permettent toutefois de détecter sa présence. En retournant un verre au fond duquel on a déposé préalablement un mouchoir en papier sur un récipient rempli d’eau, on constate que le mouchoir reste sec. En retournant légèrement le récipient dans l’eau, l’air qu’il contient s’échappe dans l’eau sous forme de bulles d’air.

-      L’air est pesant : la masse d’un ballon dégonflé est inférieure à celle du même ballon rempli d’air.  L’air est beaucoup moins dense que l’eau.

-      Les trois états de l’air : liquide à – 190°c et solide à – 220°c.

2/ L’atmosphère

·         Description

Du fait de la gravité, la Terre est entourée d’une couche de gaz appelée atmosphère dont l’épaisseur est d’environ 500 km. La composition de l’atmosphère varie avec l’altitude : plus on s’éloigne de la surface de la Terre, plus la gravité diminue et plus la concentration en molécules diminue elle aussi. Ainsi 99% de l’air atmosphérique se trouve dans les 30 premiers kilomètres de l’atmosphère.

Les différentes couches de l’atmosphère :

-      Troposphère : 10 km, c’est la couche où se produisent les phénomènes météorologiques et les mouvements atmosphériques horizontaux et verticaux.

-      Stratosphère : 40 km, elle contient la couche d’ozone qui filtre les ultras violets et protège dont la Terre. Sa température croît avec l’altitude.

-      Mésosphère : 50 km, sa température décroît avec l’altitude.

-      Thermosphère : 350 à 500 km, sa température croît avec l’altitude.

·         Pression atmosphérique

La pression atmosphérique désigne le fait que l’air comprimé tout objet qui y est immergé.

3/ Vaporisation : le cas de l’eau

La vaporisation est le passage de certaines molécules de la surface de l’eau à l’air ambiant. Ces molécules d’eau se mélangent alors à celles de l’air.

La vaporisation est favorisée par quatre facteurs :

-      La température

-      La surface de contact avec l’air

-      La ventilation

-      L’humidité de l’air

Ch4 : L’énergie

1/ Définir l’énergie

-      Point de vue utilitaire : l’énergie, c’est quelque chose qu’il faut fournir aux dispositifs pour qu’ils fonctionnement. Elle peut prendre plusieurs formes et représente un moyen pour obtenir un ou plusieurs effets : mettre en mouvement des mécanismes, obtenir de la chaleur, produire du rayonnement…

-      Point de vue de la physique : L’énergie est une grandeur mesurable qui désigne ce que possède un système pour fournir un travail en vue de produire un effet.

-       

2/ Transformations et principe de conservation

·         Généralités

L’énergie se présente sous plusieurs formes. Elle peut passer d’une forme à une autre. Il existe quatre façons de transférer de l’énergie d’un système à l’autre : la chaleur, le rayonnement, le travail électrique et le travail mécanique.

Une chaîne de transformations caractérise les différentes transformations de l’énergie d’un système à l’autre ainsi que les modes de transfert associés.

·         Principe de conservation

La diminution de la quantité d’énergie contenue dans le système de départ est égale à la quantité d’énergie transférée dans le système d’arrivée, quelles que soient les formes d’énergie contenues dans les systèmes.

3/ Rendement

Toute l’énergie produite par un système n’est pas nécessairement utile pour produire l’effet recherché. 

4/ Sources d’énergie

Une source d’énergie est un élément que l’homme est techniquement capable d’utiliser afin de produire de l’énergie.

-      Sources d’énergie naturelles(ou primaires) : elles sont directement utilisables : l’eau, le vent, le Soleil, l’uranium, le pétrole, le charbon, le gaz naturel, la biomasse, l’énergie musculaire…

-      Sources d’énergie artificielles (ou secondaires) : elles n’existent pas dans la nature (ex : l’électricité)

-      Sources d’énergie renouvelable : sources d’énergie qui se renouvellent assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l’échelle du temps de l’Homme. Elles sont liées au rayonnement solaire, à la chaleur de la Terre ou à la gravitation des astres (bois…)

-      Sources d’énergie renouvelable : Sources d’énergie qui ne se renouvellement pas à l’échelle humaine (pétrole, gaz naturel…)

-       

5/ La production d’électricité

L’électricité domestique est produite à partir d’un alternateur : un aimant tourne autour de bobines de fil de cuivre.

L’électricité est produite par induction pour faire tourner l’alternateur, on utilise différentes sources d’énergie : le vent, l’eau.

6/ La chaleur

·         Définition

Quand on dit d’un système qu’il « produit de la chaleur », ce que l’on perçoit c’est le mode de transfert de l’énergie thermique d’un système à un autre.

·         Chaleur et température : confusions à éviter

o   Transfert d’énergie entre les deux systèmes(voir annale)

o   Les mesures de température

§  Le thermomètre à liquide

§  L’échelle de Celsius

o   Chaleur et changement d’état de la matière : les confusions à éviter

Lors de la fusion ou de la vaporisation d’une certaine quantité d’eau, un apport supplémentaire de chaleur n’a pas pour effet d’augmenter la température de l’eau liquide  puisqu’à la pression normale, celle-ci reste égale à 100°c. Il convient donc de distinguer la notion de « chaleur », qui renvoie, à l’énergie qui s’échange entre deux systèmes, et celle de « température », qui rend compte de l’agitation thermique des particules microscopiques qui constituent la matière et qui est mesurée à l’aide d’un thermomètre.

·         Chaleur et isolation

Le processus d’isolation consiste à empêcher tout échange thermique entre un corps et le milieu extérieur.