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Changement de phase Thermodynamique

Posté par
BendoNaBendo
09-11-15 à 17:03

Bonjour tout le monde,

Je solicite votre aide pour la resolution d'un exercice de thermodynamique, sur les changements de phase.

Enoncé:

On verse doucement de l'eau à température T1= 10°C sur une masse mg=1kg de glace à la température T2=-20°C.

1) Au début, l'eau va se solidifier. Quelle masse maximale d'eau peut-on verser tout en vérifiant que toute l'eau se solidifie? Calculer dans ce cas l'entropie créée.

2) Quelle masse d'eau minimale faut-il verser pour ne plus avoir de glace? Caculer dans ce cas l'entropie créée.

Données : Température de fusion T=0°C / Chaleur latente de fusion L=333.6 / Capacite calorifique de l'eau liquide Ce=4.2Kj/K/Kg / Glace Cg=2.1 Kj/Kg/K

Mon avancement... Bloqué dès le départ :/

Merci d'avance pour votre aide.

***Edit gbm : niveau mis en accord avec ton profil***

Posté par
vanoise
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 17:08

Bonsoir,
Et si tu commençais par poster ce que tu as déjà fait en expliquant ce que tu ne comprends pas ? L'aide ultérieure sera plus efficace !

Posté par
BendoNaBendo
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 17:10

Bonsoir,
Le problème est que je ne sais absolument pas par ou commencer...

Posté par
vanoise
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 17:17

As-tu étudié les notions d'enthalpie et de variation d'enthalpie ? Si oui, tu exprimes la variation d'enthalpie de la glace en fonction de la température finale Tf ; tu exprimes la variation d'enthalpie de l'eau en fonction de la masse d'eau ajoutée et de Tf. Le mélange s'opérant de façon adiabatique, la somme des deux variations d'enthalpie est nulle. Tu obtiens une inégalité concernant la masse m d'eau ajoutée en écrivant que la température finale est inférieure à 0°C...
Mais il y a d'autres méthodes... C'est pour cela que je te demande un début de solution, histoire d'adapter l'aide à ton niveau...

Posté par
J-P
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 17:23

Attention :

a) Une valeur numérique d'une grandeur physique sans unité ne veut rien dire et donc :

"Chaleur latente de fusion L=333.6" ne veut rien dire.

On doit écrire :  Chaleur latente de fusion L=333,6 kJ/kg (ou kJ.kg-1 si on veut)

b) Les symboles des unités sont normalisés, on ne peux absolument pas modifier leur écriture.

On ne peut donc pas écrire : Ce = 4.2Kj/K/Kg et Cg = 2.1 Kj/Kg/K  

On doit écrire : Ce = 4,2 kJ.kg-1.K-1 ou bien Ce = 4,2 kJ/(kg.K) ou bien Ce = 4,2 (kJ/kg)/K ou bien Ce = 4,2 kJ/kg/K

et on doit écrire : Cg = 2,1 kJ.kg-1.K-1 ou bien Cg = 2,1 kJ/(kg.K) ou bien Cg = 2,1 (kJ/kg)/K ou bien Cg = 2,1 kJ/kg/K

On ne peut absolument pas mettre des lettres majuscules là où il faut des minuscules et pareillement on ne peut absolument pas mettre des lettres minuscules là où il faut des majuscules

Ne pas penser qu'il s'agit là de petites fautes.

Posté par
BendoNaBendo
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 17:27

Merci pour ces petites rectifications.

Mais pour l'exercice, je suis completement perdu.. Personne pour m'aiguiller?

Posté par
vanoise
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 17:36

Voici les expressions  des deux variations d'enthalpies. J'ai utilisée des minuscules pour les températures en °C pour ne pas créer de confusion aux questions ultérieures sur les variations d'entropie car il faudra alors impérativement utiliser les températures absolues. J'ai volontairement laissé les "zéro" pour que tu comprennes mieux comment obtenir la variation d'enthalpie de l'eau...
\begin{cases}
 \\ \Delta H_{g}=m_{g}\cdot c_{g}\left(t_{f}-t_{2}\right)\\
 \\ \Delta H_{e}=m_{e}\cdot c_{e}\cdot\left(0-t_{1}\right)-m_{e}\cdot L & +m_{e}\cdot c_{g}\cdot\left(t_{f}-0\right)
 \\ \end{cases}

Posté par
BendoNaBendo
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 17:42

Je comprends la démarche... par contre je ne vois pas comment on choisi Tf :/

Ensuite l'entropie c'est DH/T non?

Merci beaucoup

Posté par
vanoise
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 17:53

Tu n'as pas très bien compris mon premier message : en écrivant que la somme des deux variations d'enthalpie est nulle, tu obtiens une expression de tf en fonction de me. Pour que toute l'eau se solidifie, il faut tf < 0°C :; en écrivant cette inégalité, tu obtiens une inégalité concernant me...
Pour les variations d'entropie, c'est beaucoup moins simple !
Revois bien ton cours sur le sujet. L'entropie étant une fonction d'état, tu peux procéder comme pour les variations d'enthalpie... Fais quelques propositions...

Posté par
J-P
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 17:55

1)

Quelle masse maximale d'eau peut-on verser tout en vérifiant que toute l'eau se solidifie?

- Quelle quantité de chaleur faut-il apporter à 1 kg de glace pour que sa température passe de -20°C à 0°C sans changement d'état (donc sans passage de l'état solide vers l'état liquide) ?

Cette quantité de chaleur (calculée ci-dessus) est amenée par une certaine masse m d'eau ... qui passera de 10°C à 0°C, cette masse d'eau passera alors à l'état solide en restant à 0°C

Il reste à déterminer m.
-----
2)

Quelle masse d'eau minimale faut-il verser pour ne plus avoir de glace?

- Quelle quantité de chaleur faut-il apporter à 1 kg de glace pour que sa température passe de -20°C à 0°C avec changement d'état solide vers liquide ?

Cette quantité de chaleur (calculée ci-dessus) est amenée par une certaine masse m' d'eau ... qui passera de 10°C à 0°C sans changement d'état.

Il reste à déterminer m'.
-----
Sauf distraction.  

Posté par
BendoNaBendo
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 18:00

Aaaah d'accord donc Tf on le remplace par la temperture de fusion et on a une egalite sur la masse

Pour dS mon cours me Dit dS= DH / T0...

Le problème est le choix de T0 quoi :/

Merci pour vos réponses je commence a voir clair !!

Posté par
vanoise
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 18:04

Tes notations ne sont pas très rigoureuses. Pour une évolution réversible isobare ou monobare, on peut écrire :
dS=\frac{dH}{T}
Tu as forcément traité en cours quelques exemples. Commence déjà par proposer quelquechose concernant la glace, c'est la cas le plus facile !

Posté par
BendoNaBendo
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 18:08

Le problème est qu'on a pas fait ca en Cours et cette question tombé chaque année à l'examen.. :/

Donc dS= integrale Q/T... on fait bêtement cette intégrale avec les DH que vous m'avez donné ?

Posté par
vanoise
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 18:17

Je te fais le calcul pour la glace et je te laisse l'adapter à l'eau. Attention : les températures sont les températures absolues.
\begin{cases}
 \\ \text{Pour la glace :} & dS_{g}=\frac{dH}{T}=m_{g}c_{g}\frac{dT}{T}\\
 \\ \text{Par intégration :} & dS_{g}=m_{g}c_{g}\int_{T_{2}}^{T_{f}}\frac{dT}{T}=m_{g}c_{g}\cdot\ln\left(\frac{T_{f}}{T_{2}}\right)
 \\ \end{cases}

Posté par
BendoNaBendo
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 18:20

Ah oui merci c'est bien ce que je pensais

Petite question pour finir,les températures sont en degrés ou en kelvin?

Posté par
vanoise
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 18:29

Citation :
les températures sont en degrés ou en kelvin?

Cette phrase est très ambiguëe car il existe de nombreuses échelles de températures et de nombreux "degrés" différents ...
Pour moi : la lettre T désigne la température absolue ou température thermodynamique, celle mesurée en kelvins.
La lettre t désigne la température repérée dans l'échelle Celsius , exprimée en °C.

Posté par
BendoNaBendo
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 18:35

Oui je n'ai pas été très clair ^^

Donc dans le calcul de l'entropie on utilise bien des degrés kelvin

Merci pour votre aide je suis maintenant prêt pour ce genre d'exercice !

Posté par
vanoise
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 18:49

Tu vas dire que je "pinaille" mais on dit : "degrés Celsius" pour t et "kelvins" pour T ; pas "degrés kelvin".

Posté par
BendoNaBendo
re : Changement de phase Thermodynamique 09-11-15 à 18:51

Pas de problemes, c'est comme ca qu'on apprend
Merci !



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