Calorimétrie, isolation thermique

TS – Physique – L3 – TP n° 3
Calorimétrie
La calorimétrie est la partie de la thermodynamique qui a pour objet la mesure des transferts énergétiques
sous forme de chaleur. On utilise pour cela un calorimètre.
Description du matériel
Les calorimètres utilisés lors du TP sont du modèle ci contre.
Le système constitué du récipient interne et son contenu est
isolé de l’extérieur par de l’air et un second récipient métallique.
On peut donc considérer que ce système n'échange pas d'énergie
thermique avec l'extérieur : la transformation est alors qualifiée
d'adiabatique Q = 0.
I-
Détermination de la capacité thermique massique c d’un métal
1) Qu’est-ce que c’est ?
La capacité thermique (ou calorifique) massique d’un matériau aussi appelée chaleur massique est la
variation d'énergie interne de 1kg de ce matériau lors d'une élévation de sa température de 1°K.
Elle s’exprime usuellement en J.K-1.kg-1 ou en J.K-1.g-1.
Elle traduit l’aptitude du matériau à absorber (ou à céder) une quantité de chaleur (Q) et à s’échauffer (se
refroidir) (élévation ou diminution de température) de ΔT.
2) Principe de la mesure
 Un solide homogène de masse m2, de chaleur massique c, est chauffé dans une étuve à une
température θ2.
 Le récipient interne du calorimètre de capacité thermique K contient une masse m1 d'eau à la
température θ1.
 On plonge le solide dans le calorimètre : la température finale est θf.
a. Quelle est la valeur du travail et de la chaleur reçue par le système {récipient interne + contenu} lors de la
transformation ?
b. En déduire la variation de l'énergie interne du système.
c. A partir du premier principe de la thermodynamique, établir l'expression suivante :
𝑐=
(𝑚1 . 𝑐𝑒𝑎𝑢 + 𝐾). (𝜃𝑓 − 𝜃1 )
𝑚2 . (𝜃2 − 𝜃𝑓 )
3) Expérience




Peser le calorimètre et ses accessoires.
Verser environ 350 mL d’eau du robinet dans le calorimètre ;
Déterminer sa masse m1 et noter sa température θ1.
Juste après avoir relevé sa température θ2, introduire rapidement le solide dans le calorimètre et
agiter ; suivre la température de l'eau tout en continuant à agiter et noter la valeur maximale
atteinte θf.
 Déterminer la masse m2 du corps métallique.
• Réaliser le dispositif expérimental correspondant au protocole
REA2
D
C
B
A
4) Exploitation des résultats
d. En prenant ceau = 4,18 kJ.kg-1.K-1 et K = 500 J.K-1, déterminer la capacité thermique massique c du corps
métallique. Comparer la valeur trouvée à celle donnée dans les tables. Conclure.
𝑐
−𝑐
On pourra calculer l’écart relatif : I 𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑐 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑒𝑛𝑐𝑒 I x 100
𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒
Matériau
C en J. K-1.g-1
Cuivre Fer
0,390 0,444
Acier
0,435
Fonte
0,544
Aluminium Zinc
0,897
0,380
• Extraire des informations des données expérimentales et les exploiter
• Analyser l’ensemble des résultats de façon critique et faire des propositions pour améliorer
la démarche ou le modèle
Laiton
0,377
Or
0,129
VAL1
VAL4
D
D
C
C
B
B
A
A
5) Chauffer son habitation ou habiter dans une région propice ?
e. Quel matériau est utilisé pour la fabrication d’insert ou poêle destinés à chauffer une habitation ?
Pourquoi ?
f. Justifiez la douceur (respectivement la
Substance
Air Eau liquide Dihydrogène gazeux
rigueur) des climats océaniques
C en J.K-1.g-1 1
4,18
10,1
(respectivement des climats continentaux).
II-
Détermination de l’enthalpie de fusion massique de la glace
1) Qu’est-ce que c’est ?
Appelée parfois chaleur massique latente de fusion, c’est
l’énergie à fournir à 1kg de glace pour entraîner la fusion
totale de celle-ci.
On la note Lfusion. Elle s’exprime en J.kg-1.
2) Expérience




Peser le calorimètre et ses accessoires.
Verser environ 350 mL d’eau du robinet dans le calorimètre ;
Déterminer sa masse m1 et noter sa température θ1.
Juste après avoir relevé sa température θ2, introduire rapidement la glace dans le calorimètre et
agiter ; suivre la température de l'eau tout en continuant à agiter et noter la valeur minimale
atteinte θf.
 Déterminer la masse m2 de glace introduite.
• Réaliser le dispositif expérimental correspondant au protocole
REA2
D
C
B
A
B
B
A
A
3) Exploitation des résultats
A partir du premier principe de la thermodynamique appliqué au système {eau + glace +calorimètre} , on peut
montrer que :
L fusion 
m1.cEau  K
.(T1  f )  cglace .(2  Tfusion )  cEau .(Tfusion  f )
m2
L'expression est établie par un raisonnement analogue au I. en tenant compte du changement d'état des glaçons.
a. Déterminez L fusion eau en kJ.kg-1. Conclure.
On donne cglace = 2,06 kJ.K-1.kg-1 et Tfusion = 0°C.
• Extraire des informations des données expérimentales et les exploiter
• Analyser l’ensemble des résultats de façon critique et faire des propositions pour améliorer
la démarche ou le modèle
VAL1
VAL4
D
D
C
C
4) Le réfrigérateur !
Les machines frigorifiques s'appuient sur des transferts
thermiques faisant intervenir des fluides (de type CFC
comme le fréon) passant de l'état liquide à l'état gazeux.
Lire le document p.354 du livre.
b. Justifiez ce principe et le choix du fréon comme fluide
frigorigène.
Substance
Eau liquide
Lfusion en J.g-1
335 à 0°C
fréon
Lvaporisation en J.g-1 2300 à 100 °C 240 à -41 °C
Matériel
Bureau (ou labo proche de la salle de TP)
 Etuve
 Glaçons
 Sopalin
 Salle avec évier et robinet par paillasse
Binôme
 Calorimètre
 Thermomètre
 Agitateur
 Cylindre de métal qui rentre dans le calorimètre
 Eau du robinet
 Balance électronique
 Eprouvette graduée de 500mL