Lire le diagramme d'état de l'eau

Exercice de TD · niveau 2 · enseignement scientifique (terminale), chapitre 1 — L'atmosphère terrestre et la vie

Énoncé

À l'aide du diagramme d'état de l'eau donné dans ce chapitre, indiquer l'état physique de l'eau dans chacune des situations suivantes.

	Situation	Température	Pression
(a)	salle de classe	$20^{\circ}$ C	$1013 h P a$
(b)	congélateur	$- 20^{\circ}$ C	$1013 h P a$
(c)	four à vapeur	$150^{\circ}$ C	$1013 h P a$
(d)	chambre à vide de laboratoire	$20^{\circ}$ C	$10 Pa$
(e)	surface de Mars, jour d'été	$- 20^{\circ}$ C	$700 Pa$
(f)	chaudière industrielle	$250^{\circ}$ C	$60 ba r$

2. La lyophilisation consiste à congeler un aliment, puis à abaisser fortement la pression. Expliquer, à l'aide du diagramme, ce qui arrive alors à l'eau qu'il contient, et pourquoi le produit n'est jamais mouillé. 3. Pourquoi ne peut-on pas faire cuire des pâtes correctement au sommet du mont Blanc ( $4809 m$ , pression environ $560 h P a$ ) ?

Corrigé

1. (a) Liquide : le point est nettement au-dessus de la courbe de vaporisation. (b) Solide : à gauche de la courbe de fusion, qui est quasi verticale à $0^{\circ}$ C. (c) Vapeur : à $1013 h P a$ , l'eau bout à $100^{\circ}$ C ; au-delà, elle est gazeuse. (d) Vapeur : $10 Pa$ est très inférieur à la pression de vaporisation de l'eau à $20^{\circ}$ C, qui vaut environ $2340 Pa$ . (e) Solide : à $- 20^{\circ}$ C, la courbe de sublimation est vers $100 Pa$ ; à $700 Pa$ , on est au-dessus, donc dans le domaine solide. (f) Liquide : à $250^{\circ}$ C, l'eau ne bout que sous environ $40 ba r$ ; sous $60 ba r$ , elle reste liquide. C'est tout l'objet d'une chaudière sous pression : obtenir de l'eau liquide très chaude.

2. On part d'un point situé dans le domaine solide (glace), puis on descend verticalement, c'est-à-dire qu'on abaisse la pression. Lorsque le point figuratif franchit la courbe de sublimation — donc lorsque la pression passe sous quelques centaines de pascals — la glace passe directement à l'état de vapeur. Il n'y a jamais d'eau liquide : le produit ne peut donc pas être mouillé, ce qui préserve sa structure. On dit que l'on a « contourné » le domaine liquide par le bas, en passant sous le point triple.

3. À $560 h P a$ , la courbe de vaporisation est franchie vers $84^{\circ}$ C : l'eau bout à cette température. Or les pâtes cuisent par transfert thermique depuis l'eau, et la vitesse des réactions de cuisson dépend fortement de la température. À $84^{\circ}$ C, la cuisson est beaucoup plus lente et l'amidon ne gélatinise pas de la même manière. Faire bouillir plus longtemps ne change rien : tant qu'il y a ébullition, la température reste bloquée à $84^{\circ}$ C.

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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.