T STL http://physalp.free.fr Flux d’énergie : Matériel disponible : TP : Echanges de chaleur - - Calorimètre Thermomètre Eprouvette graduée 250 mL Différentes masses marquées métallique (fer, aluminium, laiton )+ ficelle balance Bain marie La calorimétrie est la science qui s'occupe des mesures des quantités de chaleur. Elle repose sur le principe de l'égalité des échanges de chaleur : lorsque deux corps n'échange que de la chaleur, la quantité de chaleur gagnée par l'un est égale à celle perdue par l'autre. Doc 1 : Les échanges énergétiques A l’échelle microscopique, un objet, même immobile possède d’autres formes d’énergie dont la somme définit l’énergie interne 𝑼. Les variations d’énergie interne 𝜟𝑼 d’un système immobile résultent de l’apport de travail et de chaleur du milieu extérieur : le travail 𝑾 regroupe les échanges énergétiques qui résultent de l’action de forces macroscopiques (travail électrique, mécanique, etc.); - Le transfert thermique 𝑸 désigne tous les autres échanges énergétiques ; - 𝜟𝑼 = 𝑾 + 𝑸. Lorsqu’un apport de chaleur Q s’accompagne d’une variation de température ΔT, le rapport 𝑪 de ces deux grandeurs est appelé capacité thermique (ou 𝒄, 𝒄𝒂𝒑𝒂𝒄𝒊𝒕é 𝒕𝒉𝒆𝒓𝒎𝒊𝒒𝒖𝒆 𝒎𝒂𝒔𝒔𝒊𝒒𝒖𝒆). 𝑸 transfert thermique reçu par le système (J) 𝑸 = 𝑪 × 𝜟𝑻 𝑪 capacité thermique (J.K-1) Ou 𝑸 = 𝒄 × 𝒎 × 𝜟𝑻 𝒄 capacité thermique massique (J.kg-1.K-1) 𝜟𝑻 variation de température du système (K) Un matériau de grande capacité thermique permet de réguler la température alors qu’un matériau de faible capacité sera dit isolant. Doc 2 : Système thermodynamique Un système thermodynamique est un échantillon de matière qui contient trop de particules pour que la description individuelle de celles-ci soit possible. Un système est dit : - ouvert, s’il peut échanger de la matière ou de l’énergie avec l’extérieur ; - fermé, s’il n’échange pas de matière avec l’extérieur ; - isolé, s’il n’échange ni chaleur ni matière avec l’extérieur. La variation d’énergie interne d’un système isolé est nulle : ΔU = 0 = W + Q. Doc 3 : Le calorimètre Le calorimètre est un système isolé (aucun transfert thermique ou de matière avec l’extérieur) qui permet d’étudier les échanges de chaleur qui s’y produisent. On y place des corps condensés notés 1, 2, 3, etc. dont on étudie les échanges de chaleur. Aucun travail n’est appliqué. On peut donc écrire : ΔU = 0 = W + Q1 + Q2 + … = C1 ΔT1 + C2 ΔT2 + … Page 1 sur 2 http://physalp.free.fr I. Mesure de la capacité thermique d’un matériau On souhaite déterminer la capacité thermique d’un métal à l’aide d’un calorimètre dont on connait déjà la capacité thermique : Ccalorimètre = 100 ± 10 J.K-1 I.1. Protocole : Peser le cylindre métallique. mmétal = …………………………. Placer le cylindre de métal dans le bain marie et attendre. Placer environ 300 mL d’eau dans le calorimètre. Déterminer meau = ………………. Mesurer la température initiale de l'eau et du calorimètre : T1=…………... Relever la température du bain marie Tmétal=…………………. Retirer le cylindre métallique du bain marie et le placer rapidement dans le calorimètre. Attendre l’équilibre thermique (Faire l’exercice en attendant) et relever la température Tfinal I.2. Utilisation de l’équation calorimétrique : Paramètres Partie du système état initial Calorimètre et accessoires T1 = Eau meau= T1 = État final Expression de la quantité de chaleur échangée Qcal = Tfinal = Q1= métal mmétal = Qmétal = Tmétal = Pour déterminer cmétal, on utilise la relation suivante qui traduit le fait que toute l’énergie thermique échangée à l’intérieur du calorimètre reste à l’intérieur du calorimètre (rien ne part à l’extérieur) : Qmétal + Qeau + Qcalorimètre = 0 mmétal.Cmétal.( Tfinal – Tmétal) + meau.Ceau.( Tfinal – T1) + Ccalorimètre(Tfinal – T1) = 0 Q1. A partir de cette relation, déterminer la valeur expérimentale de c métal. Q2. Citer les différentes sources d’erreurs possibles. Q3. Estimer l’incertitude 𝑢(c métal) Q4. Comparer ce résultat à la valeur théorique. Substance solides liquides Gaz (à pression constante) Eau (glace) Aluminium Cuivre Fer Mercure Eau liquide Alcool Hydrogène Oxygène Capacité thermique massique (J.kg-1.K-1) 2100 890 380 460 140 4185 2390 14170 910 Page 2 sur 2
