S16 – États de la matière, changements d'état, transferts thermiques et variabilité 📝⚓︎
Diagramme d'état – Changements d'état – Transferts thermiques – Pression – Variabilité statistique
🎯 Objectifs⚓︎
À l'issue de la séance, vous serez capables de :
- lire un diagramme d'état (P, T) et identifier les zones (solide, liquide, gaz)
- expliquer les changements d'état et leur réversibilité
- distinguer les trois modes de transfert thermique (conduction, convection, rayonnement)
- relier pression et température aux conditions de procédé (fabrication, conservation)
- approfondir la variabilité statistique : calculer écart-type, tracer et interpréter un histogramme
🧴 Pourquoi c'est important pour votre métier ?⚓︎
En cosmétique, maîtriser les états de la matière et les transferts thermiques est essentiel pour :
- Formuler : fondre des cires, solidifier des baumes, contrôler la texture
- Conserver : éviter la dégradation par la chaleur (actifs thermosensibles)
- Fabriquer : choisir les conditions de température et de pression (autoclave, bain-marie)
- Contrôler : mesurer plusieurs fois une propriété (température de fusion, pH) et évaluer la fiabilité des résultats
💡 Saviez-vous que l'huile de coco est solide en dessous de 25 °C et liquide au-dessus ? C'est le diagramme d'état qui explique ce comportement !
🧴 Accroche professionnelle⚓︎
Situation : Vous travaillez en R&D pour un laboratoire qui formule un baume corps à base d'huile de coco. Le produit doit être solide en pot (texture baume) mais fondre au contact de la peau (25-30 °C).
Problème : En hiver, le baume est trop dur (difficile à prélever). En été, il devient trop liquide (fuite du pot). Le formulateur doit comprendre les changements d'état et ajuster la composition pour garantir une texture stable.
Question : Comment le diagramme d'état permet-il de prévoir et contrôler ces changements ? Comment mesurer la température de fusion de manière fiable ?
📄 Documents⚓︎
Document 1 – Le diagramme d'état⚓︎
Un diagramme d'état (ou diagramme de phase) est un graphique qui représente l'état physique d'une substance (solide, liquide ou gaz) en fonction de deux paramètres : la température (T) et la pression (P).
Lecture du diagramme⚓︎
| Zone | État | Exemple |
|---|---|---|
| Zone bleue | Solide | Glace, cire solide |
| Zone verte | Liquide | Eau liquide, huile |
| Zone rouge | Gaz | Vapeur d'eau, air |
Les lignes entre les zones représentent les changements d'état : - Ligne solide/liquide : fusion (→) ou solidification (←) - Ligne liquide/gaz : vaporisation (→) ou liquéfaction (←) - Ligne solide/gaz : sublimation (→) ou condensation (←)
💡 À pression atmosphérique (1 bar), on suit la ligne horizontale en pointillés. C'est pourquoi l'eau bout à 100 °C à 1 bar.
Document 2 – Les transferts thermiques⚓︎
La chaleur se déplace spontanément d'un corps chaud vers un corps froid. Il existe trois modes de transfert thermique :
1. Conduction⚓︎
Transfert de chaleur par contact direct, de proche en proche, sans déplacement de matière.
Exemple : Une cuillère métallique plongée dans une tasse de thé chaud devient chaude (la chaleur se propage dans le métal).
En cosmétique : Chauffage direct d'un récipient métallique contenant une cire.
2. Convection⚓︎
Transfert de chaleur par le mouvement d'un fluide (liquide ou gaz).
Exemple : L'eau chaude monte dans une casserole, l'eau froide descend : il se crée un courant de convection.
En cosmétique : Bain-marie (l'eau chaude circule et chauffe le récipient intérieur).
3. Rayonnement⚓︎
Transfert de chaleur par ondes électromagnétiques, sans support matériel (fonctionne même dans le vide).
Exemple : Le Soleil nous chauffe par rayonnement. Un four infrarouge émet des ondes IR.
En cosmétique : Lampe infrarouge en cabine esthétique.
Document 3 – La variabilité statistique (approfondissement de S08)⚓︎
En S08, vous avez appris à calculer la moyenne et l'étendue d'une série de mesures. On va maintenant approfondir avec l'écart-type et l'histogramme.
L'écart-type (σ)⚓︎
L'écart-type mesure la dispersion des valeurs autour de la moyenne. Plus σ est grand, plus les valeurs sont dispersées.
Formule :
| Symbole | Signification |
|---|---|
| σ | Écart-type |
| n | Nombre de mesures |
| xᵢ | Valeur de la mesure i |
| x̄ | Moyenne |
Interprétation :
| σ | Signification |
|---|---|
| Petit (< 5% de x̄) | Mesures très regroupées → bonne répétabilité |
| Moyen (5–10% de x̄) | Mesures dispersées → répétabilité acceptable |
| Grand (> 10% de x̄) | Mesures très dispersées → problème de méthode ou d'appareil |
L'histogramme⚓︎
Un histogramme est un graphique en barres qui représente la répartition des mesures par intervalles de valeurs.
Utilité : - Visualiser d'un coup d'œil la dispersion - Identifier des valeurs aberrantes (très éloignées du groupe) - Évaluer la symétrie de la distribution (autour de la moyenne)
🧪 Travail 1 – Lire un diagramme d'état (15 min)⚓︎
🎯 Compétence E2 : Analyser
À partir du Document 1 (diagramme d'état simplifié de l'eau) :
1.1 – Placer des points sur le diagramme⚓︎
Sur le diagramme (ou sur une copie), placez les points suivants et indiquez l'état de l'eau :
| Point | Température | Pression | État ? |
|---|---|---|---|
| A | 50 °C | 1 bar | _ |
| B | 120 °C | 1 bar | _ |
| C | –10 °C | 1 bar | _ |
1.2 – Nommer les changements d'état⚓︎
Indiquez sur chaque flèche le nom du changement d'état : - Solide → Liquide : _ - Liquide → Gaz : _ - Liquide → Solide : _ - Gaz → Liquide : _ - Solide → Gaz : _ - Gaz → Solide : _
1.3 – Interpréter le rôle de la pression atmosphérique⚓︎
À pression atmosphérique (1 bar, ligne pointillée), indiquez :
1. En dessous de quelle température l'eau est-elle solide ? _
2. Entre quelles températures l'eau est-elle liquide ? _
3. Au-dessus de quelle température l'eau est-elle gazeuse ? _
1.4 – Expliquer l'effet de la pression⚓︎
Un autoclave (appareil de stérilisation) fonctionne à 2 bar et 120 °C.
1. À 2 bar, la température d'ébullition de l'eau est-elle supérieure ou inférieure à 100 °C ? Justifiez en utilisant le diagramme.
2. Pourquoi utilise-t-on une pression supérieure à 1 bar dans un autoclave ?
🔥 Travail 2 – Identifier les modes de transfert thermique (15 min)⚓︎
🎯 Compétence E2 : Mobiliser, Interpréter
À partir du Document 2, complétez le tableau suivant en identifiant le mode de transfert thermique principal pour chaque situation cosmétique :
| Situation cosmétique | Mode de transfert | Justification |
|---|---|---|
| Bain-marie pour fondre une cire | _ | _ |
| Cire chauffée dans un pot métallique posé sur une plaque | _ | _ |
| Lampe infrarouge en cabine esthétique | _ | _ |
| Air chaud dans un four (pour sécher) | _ | _ |
| Bouilloire électrique (résistance immergée) | _ | _ |
2.1 – Application professionnelle⚓︎
Vous devez fondre du beurre de karité (température de fusion ≈ 35 °C) sans le dégrader.
Quel mode de chauffage recommandez-vous ? Justifiez en 3 à 5 lignes.
📊 Travail 3 – Approfondir la variabilité : écart-type et histogramme (20 min)⚓︎
🎯 Compétence E2 : Interpréter, Analyser
Situation : Un laboratoire mesure la température de fusion d'une cire cosmétique 10 fois pour valider la répétabilité de la méthode.
Résultats (en °C) :
| Mesure | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| T (°C) | 24,8 | 25,2 | 24,9 | 25,1 | 25,3 | 24,7 | 25,0 | 25,2 | 24,8 | 25,0 |
3.1 – Calculer la moyenne et l'écart-type⚓︎
Étape 1 : Calculez la moyenne x̄ :
Étape 2 : Calculez l'écart-type σ (utilisez la formule du Document 3 ou le mode STAT de votre calculatrice) :
Étape 3 : Interprétez : est-ce que σ est petit (< 5% de x̄) ? La répétabilité est-elle bonne ?
3.2 – Tracer un histogramme⚓︎
Étape 1 : Complétez le tableau des effectifs par intervalle :
| Intervalle (°C) | Effectif (nombre de mesures) |
|---|---|
| [24,5 – 24,8[ | _ |
| [24,8 – 25,1[ | _ |
| [25,1 – 25,4[ | _ |
Étape 2 : Tracez l'histogramme à l'aide d'un tableur :
- Axe horizontal : intervalles de température
- Axe vertical : effectif
3.3 – Interpréter l'histogramme⚓︎
1. La distribution des mesures est-elle symétrique autour de la moyenne ?
2. Y a-t-il des valeurs aberrantes (très éloignées des autres) ?
3. Conclusion : les mesures sont-elles fiables ? Justifiez.
✅ Synthèse personnelle⚓︎
Rédigez une synthèse de 8 à 12 lignes qui explique comment les états de la matière, les changements d'état, les transferts thermiques et la variabilité statistique sont utilisés en cosmétique.
Mots obligatoires à utiliser : diagramme d'état, changement d'état, pression, température, conduction, convection, rayonnement, écart-type.
🎯 Entraînement filé⚓︎
Situation : Vous êtes technicien(ne) qualité dans un laboratoire. Un actif cosmétique (vitamine C) est thermosensible : il se dégrade au-dessus de 30 °C.
Question : Rédigez une recommandation professionnelle (5 à 8 lignes) pour le stockage et le transport de cet actif. Votre réponse doit mentionner : - La température de conservation - Le mode de transfert thermique à éviter - Le type de conditionnement recommandé
🧭 Auto-évaluation⚓︎
| Je sais… | Pas du tout | Un peu | Plutôt bien | Très bien |
|---|---|---|---|---|
| Lire un diagramme d'état (P, T) | ☐ | ☐ | ☐ | ☐ |
| Nommer les changements d'état | ☐ | ☐ | ☐ | ☐ |
| Distinguer conduction, convection, rayonnement | ☐ | ☐ | ☐ | ☐ |
| Calculer un écart-type | ☐ | ☐ | ☐ | ☐ |
| Tracer et interpréter un histogramme | ☐ | ☐ | ☐ | ☐ |
| Relier température/pression à un procédé cosmétique | ☐ | ☐ | ☐ | ☐ |
Si vous avez coché "Pas du tout" ou "Un peu" :⚓︎
| Notion à retravailler | Action |
|---|---|
| Diagramme d'état | Revoir le Document 1, refaire le Travail 1 |
| Transferts thermiques | Revoir le Document 2, refaire le Travail 2 |
| Écart-type | Revoir la formule, refaire le calcul avec d'autres valeurs |
| Histogramme | Refaire le Travail 3.2 avec un autre jeu de données |
🔧 Outils méthodologiques⚓︎
➡️ Fiche méthode 01 – Justifier une réponse scientifique (O.A.C.J.)
📺 Pour réviser en vidéo⚓︎
🎬 Les états de la matière et les changements d'état – 7 min Comprendre solide, liquide, gaz et les transitions.
🎬 Les transferts thermiques : conduction, convection, rayonnement – 8 min Visualiser les trois modes de transfert.
🎬 Écart-type et histogramme : interpréter la dispersion – 6 min Calculer et interpréter l'écart-type.
🔗 Lien avec la suite⚓︎
⬅️ Séance précédente : S15 – TP2 : Titrage pH-métrique
➡️ Séance suivante : S17 – Représentations des molécules organiques