Thermo_calorimétrie

Chapitre II.1 Vapeurs (TS2)
Thermodynamique
I°) Changement d’état: effets d’un transfert d’énergie sous forme de chaleur
Lorsqu’un système reçoit de la chaleur, sans qu’il y ait d’autres transferts d’énergie,
son énergie interne augmente. Cela peut se traduire :
- soit par un changement d’état à température constante,
- soit par une augmentation de température.
1.1) Changement d’état à température constante
Chaleur latente de fusion: C’est la quantité de chaleur qu’il faut apporter par
unité de masse à un corps pur solide pour l’obtenir à l’état liquide à la même température sous
pression constante.
Lf en J.kg-1
Exemple pour l’eau à 0°C ou 273°K : Lf = 335 kJ.kg-1.
Chaleur latente de vaporisation: C’est la quantité de chaleur qu’il faut
apporter par unité de masse à un corps pur liquide pour l’obtenir à l’état gazeux à la même
température sous pression constante.
Lv en J.kg-1
Exemple pour l’eau à 100°C ou 373°K : Lv = 2260 kJ.kg-1.
Pour provoquer le changement d’état à pression constante (fusion ou
vaporisation) d’une masse m d’un corps pur, il faut lui apporter la quantité de chaleur
Q = mL qu’il restitue au milieu extérieur lors de la transformation inverse.
1.2) Augmentation de température
La capacité thermique massique c à pression constante d’une substance
représente la quantité de chaleur qu’il faut lui apporter par unité de masse pour élever sa
température de 1°C.
Elle s’exprime en J.kg-1.°C-1.
Exemple pour l’eau : 4,18 kJ.kg-1.°C-1.
La capacité thermique C d’un système représente la quantité de chaleur qu’il
faut apporter à ce système pour élever sa température de 1 °C.
Elle s’exprime en J.kg-1.
A pression constante et lorsqu’il n’y a pas de changement d’état, la quantité de chaleur
Q qu’il faut donner à ce système pour y provoquer une augmentation de température    est
donné par la relation Q = m c .
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liquide
solide
gaz
liquéfaction
fusion
cristallisation
sublimation
solidification
vaporisation

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Le système restitue au milieu extérieur cette quantité de chaleur s’il se refroidit jusqu’à
sa température initiale.
II°) Extraits de BTS
2.1) BTSMS 2001 CALORIMÉTRIE
La plaque signalétique d'un fer à repasser, à vapeur, porte les indications suivantes 220 V-
240 V; AC; 50-60 Hz; 1900 W. Le système de chauffage est un conducteur ohmique de
résistance supposée constante. La semelle métallique a une masse de 500 g et sa température
initiale est de 20°C. Le réservoir contient 300 mL d'eau du robinet introduite à une
température de 10°C.
On règle le curseur du thermostat sur la position coton/lin et la commande de réglage de
vapeur au maximum.
Données :
• Capacité thermique massique de la semelle: cs= 0,460 kJ.kg-l.K-1
• Capacité thermique massique de l'eau: ce=4,185 kJ.kg-l.K-1
• Masse volumique de l'eau: µe= 1000 kg.m-3
• Chaleur latente de vaporisation de l'eau: Lv= 2250 kJ.kg-1
• Masse molaire de l'eau: MH2O=18 g.mol-1
1.Calculer, en kilojoules, la quantité d'énergie thermique nécessaire
1. 1. pour amener la semelle du fer à 200°C.
1.2. pour chauffer l'eau liquide jusqu'à 100°C.
1.3. pour vaporiser l'eau à 100°C sous une pression voisine de la pression
atmosphérique normale.
2.En déduire la quantité d'énergie thermique reçue par l'ensemble eau et semelle du fer.
3.En fait 30 % de la chaleur fournie à la semelle et à l'eau par la résistance est perdue.
Calculer la quantité totale d'énergie produite par effet Joule dans la résistance.
4.En déduire l'énergie électrique WE absorbée et la durée d'utilisation du fer nécessaire pour
vider le contenu du réservoir.
5.Calculer la masse de vapeur produite en une minute.
2.2) BTSMS 94
Une chaudière électrique est prévue pour fournir de la vapeur sous une pression voisine de la
pression atmosphérique normale.
Elle est essentiellement constituée d'une cuve contenant un volume Vo= 2 litres constant d'eau
liquide (une pompe injecte l'eau s'il en manque), et d'un système d'extraction de la vapeur dont
on négligera le volume.
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Dans tout le problème, on néglige l'énergie nécessaire pour chauffer le métal de la cuve.
1 - Délai de mise en marche :
Le matin, la mise en service exige que l'eau de la cuve atteigne une température de: max =
100°C, alors qu'elle refroidit dans la nuit à une valeur de min = 15°C.
La puissance électrique de la résistance chauffante est: P = 10 kW.
Evaluer le temps nécessaire à l'échauffement de l'eau liquide de 15 à 100°C.
2 - Débit maximum de vapeur :
L'eau sortant à l'état de vapeur a été introduite à 15°C dans la cuve, donc réchauffée de 15°C
à 100°C avant d'être vaporisée.
a) calculer l'énergie Wev nécessaire pour échauffer 1 kg d'eau arrivant dans la chaudière
et la vaporiser.
b) Calculer la masse de vapeur d'eau obtenue en une seconde, la puissance de la
chaudière étant de 10 kW.
c) En déduire le débit volumique en m3/s de vapeur obtenue. On considère la vapeur d'eau
comme un gaz parfait à la température de 100°C et à la pression de 105Pa.
Données
échauffement d'un cm3d'eau de 1 degré: 4,18 joules
chaleur latente de vaporisation : 2250 kJ.kg-1
masses molaires: atome d'oxygène: 16 g.mol-1
atome d'hydrogène: 1 g.mol-1
constante des gaz parfaits R = 8,32 J.mol-1.K-1
2.3) BTS MS 2005: Fer à vapeur et humidité de l'air
Un atelier de repassage utilise des fers à repasser, munis chacun d'un générateur de vapeur. Le
réservoir de chacun des générateurs a une capacité de 2 litres d'eau et la pression de vapeur,
dans le réservoir, peut atteindre 3 bars. La température d'ébullition de l'eau sous 3 bars est
égale à 132 °C.
1. Calculer l'énergie thermique nécessaire pour porter la température des 2 litres d'eau de
20 °C à 132 °C. L'eau reste à l'état liquide, pendant son chauffage, jusqu'à 132 °C, compte
tenu de la pression régnant dans le réservoir.
Données :
On suppose que la capacité calorifique de l'eau liquide est constante sur l'intervalle de
température et a pour valeur, ceau = 4,18. 103 J.kg-1. °C-1.
Masse volumique de l'eau µeau = 1000 kg.m-3.
2. Déterminer le temps nécessaire, après l'introduction de l'eau dans le réservoir, pour que la
température de l'eau atteigne 132 °C sous 3 bars, sachant que la puissance du générateur de
vapeur, alimenté sur le secteur EDF est de 1200 W.
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3. Lors du repassage, le générateur fournit de la vapeur d'eau vers le fer à repasser. Donc, dans
le réservoir, de l'eau liquide se vaporise. Compte tenu de la puissance du générateur,
déterminer le débit massique de vapeur d'eau (en g.min-1) qu'il peut fournir.
Donnée : Chaleur latente de vaporisation de l'eau : Lv = 2260 kJ.kg-1.
4. L'atelier n'est pas ventilé et ses dimensions sont L = 8 m ; l = 5 m ; H = 3,5 m.
Cinq ensembles de fers, munis de générateurs de vapeurs, sont en fonctionnement. On cherche
la durée au bout de laquelle le local sera saturé en vapeur d'eau en considérant que la
température de l'atelier reste égale à 20°C.
Données : On suppose que les générateurs émettent en continu, au maximum de leur débit.
Masse volumique de l'air sec à 20 °C : µair = 1,2 kg.m-3.
Masse de vapeur d'eau saturante à 20 °C pour 1 kg d'air sec : ms = 14,7 g.kg-1.
a. Calculer la masse d'air dans l'atelier.
b. En déduire la masse de vapeur d'eau contenue dans l'atelier, lorsque celui-ci sera saturé en
vapeur d'eau.
c. Sachant que le taux d'humidité relatif est de 20 % avant repassage (c'est à dire que l'atelier
contient 20 % de la masse de vapeur saturante), déterminer la masse de vapeur produite par
les fers pour atteindre la saturation.
d. A l'aide du résultat de la question 3, en déduire la durée nécessaire pour saturer d'humidité
l'atelier, lors du fonctionnement des 5 fers à repasser.
e. Quelles sont les conséquences prévisibles d'une telle situation et quelles sont les
installations à faire dans cet atelier ?
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