Fascicule de travaux pratiques de thermodynamique

Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université Mouloud Mammeri de Tizi Ouzou
Faculté des sciences
Département de chimie
Fascicule de travaux pratiques de thermodynamique
Destiné aux étudiants de première année LMD ST/SM
Réalisé par Mme H.IBOUKHOULEF
Consignes importantes concernant les travaux pratiques de chimie
1. Il est rappelé aux étudiants qu’aucune dispense de TP n’est accordée et qu’ils
doivent se présenter régulièrement à leurs séances de TP.
2. Les étudiants ayant une absence justifiée doivent présenter leurs justificatifs dans
un délai maximum de 48h auprès de leurs enseignants de TP.
3. Les étudiants doivent respecter rigoureusement leurs affectations pour préserver le
bon déroulement des TP.
4. Les étudiants doivent remettre un compte rendu à la fin de chaque séance de
TP.
5. Le port de blouse est obligatoire en salle de TP.
6. Il faut prendre connaissance des données théoriques et respecter les démarches
établies pour les manipulations.
7. Tous les produits chimiques sont dangereux, le danger qu’ils représentent peut être
dû à leur caractère toxique, corrosif ou inflammable. Quel que soit le produit
utilisé, il faut opérer avec un maximum de précautions.
8. Il est interdit de boire, de manger, de fumer et d’utiliser le téléphone portable dans
un laboratoire.
9. Avant de quitter le laboratoire, il est impératif de :
9 Laver toute la verrerie utilisée et de la ranger.
9 Nettoyer la paillasse.
9 Se laver les mains.
UMMTO / Faculté des sciences
TP thermodynamique
TP Calorimétrie
Objectifs du TP:
I-
•
Mesure de la capacité calorifique d’un calorimètre.
•
Mesure de la chaleur massique d’un métal par la méthode des mélanges.
•
Mesure de la chaleur latente de fusion de la glace.
DÉFINITIONS ET CONCEPTS DE BASE
1- Système :
Un système est un ensemble de corps délimités par une frontiére réelle ou fictive à travers laquelle
il s’effectue des échanges d’énergie (travail et chaleur) et de matière avec le reste de l’univers (milieu
extérieur noté ME). Le système peut être isolé (un thermos), fermé (un refrigérateur en
fonctionnement) ou ouvert (le corps humain).
Un système, avant de subir une transformation, se trouve dans un état caractérisé par plusieurs
grandeurs macroscopiques. En thermodynamique les variables d’état utilisées sont la température (T),
la pression (P) et le volume (V).
2- Température et chaleur :
La température est une grandeur d’état qui traduit numériquement la sensation de froid et de
chaud. Pour la mesurer on utilise un thermomètre. Cette notion de température est inséparable de la
notion de chaleur ; ie : Lorsqu’on place deux corps ayant deux températures différentes dans un
système isolé ou ne se produit pas de réaction chimique, le corps chaud va transmettre de la chaleur
au corps froid jusqu’à atteindre l’équilibre thermique. Cependant, dans certaines transformations, il
peut y avoir un transfert de chaleur sans variation de température, c’est le changement d’état
physique du système.
3- Calorimétrie
Figure 1 :Calorimètre de BERTHELOT
Première année LMD ST/SM 1 UMMTO / Faculté des sciences
TP thermodynamique
La calorimétrie est une partie de la thermodynamique qui a pour objectif la mesure des quantités
de chaleurs échangées entre plusieurs corps. Pour cela, on utilise un calorimétre (voir figure 1).
Ce dernier constitue un système thermodynamique isolé, ce qui implique qu'il n'y a pas d'échange
de matière ni d'énergie (travail ou chaleur) avec le milieu extérieur.
4- Coefficients calorimétriques
• Capacité calorifique (ou thermique) (C) d’un corps :
C’est la quantité de chaleur qu’il faut fournir à ce corps pour élever sa température de 1degré. Son
unité : J/°C ou J/K. La capacité calorifique peut être calculée autrement :
™ Pour un corps de masse m :
.
c : la capacité calorifique massique de ce corps.
.
™ Pour un calorimétre :
μ : valeur en eau du calorimétre (g) : C’est la masse d’eau fictive ayant la même capacité
calorifique que le calorimétre.
ceau : la capacité calorifique massique de l’eau = 4.18 J.g-1C-1 = 4180 J. Kg-1C-1.
• Capacite calorifique massique (ou Chaleur spécifique massique) (c) d’un
corps:
C’est la quantité de chaleur qu’il faut fournir à une unité de masse pour élever sa température de
1degré. son unité : J Kg-1 °C-1 ou J g-1°C-1.
Pour les corps purs à l’état gazeux, il est nécessaire de distinguer un chauffage à volume constant
et un chauffage à pression constante qui mettent en jeu des quantités de chaleurs différentes. On
définit alors la chaleur spécifique massique à pression constante notée cp et la chaleur spécifique
massique à volume constant notée cv.
.
à pression constante.
.
à volume constant.
• Chaleur latente de changement d’état :
Un corps peut se présenter, selon les conditions de température et de pression, dans trois états
physiques : solide, liquide ou gazeux. Le passage d’un état à un autre constitue un changement d’état
physique ou changement de phase. Ce passage s’accompagne d’un échange de chaleur sans que la
température ne change, c’est la chaleur latente.
La chaleur latente de fusion, notée Lf, est l’énergie calorifique (Qf) nécessaire à l’unité de masse (m =
1Kg) pour passer d’un état solide à un état liquide à pression et température constantes. Elle est
donnée par la relation :
.
Première année LMD ST/SM 2 UMMTO / Faculté des sciences
II-
TP thermodynamique
DEVELOPPEMENT THEORIQUE
Partie A
1- Détermination de la capacité thermique Ccal d’un calorimètre
On place dans un calorimètre de capacité thermique Ccal un corps A de masse m1, de chaleur
massique c1 à la température T1. On rajoute un autre corps B de masse m2, de chaleur massique c2 à
la température T2 (T2>T1). Le système constitué par les corps A, B et le calorimètre évolue vers un
état d’équilibre thermique (Te) sans changement d’état physique.
Soit QA la chaleur reçue par le corps A (corps froid) :
.
Soit Qcal la chaleur reçue par le calorimètre et ses accessoires :
Soit QB la chaleur cédée par le corps B (corps chaud):
.
La chaleur dans le calorimètre se conserve (pas d’échange d’énergie avec le milieu extérieur).
Lorsque l’équilibre thermodynamique est atteint, la chaleur cédée par le corps chaud sera reçue par le
corps froid :
0
0
.
2- Détermination de la chaleur massique d’un métal
On place dans un calorimètre de capacité thermique Ccal, dans un 1er temps, une masse m1 d’eau,
de chaleur massique c1 à la température T1, puis un métal de masse m2 à la température T2 (T2>T1).
Sachant que la température d’équilibre du système est : T1 < Te < T2
Soit QA + Qcal la chaleur reçue par l’eau et le calorimètre :
.
Soit QB la chaleur cédée par le métal :
.
La chaleur dans le calorimètre se conserve, à l’équilibre :
0
.
.
0
Première année LMD ST/SM 3 UMMTO / Faculté des sciences
TP thermodynamique
Partie B
1- Détermination de la chaleur latente de fusion de la glace (Lf)
On place dans un calorimètre de capacité thermique Ccal une masse m1 d’eau, de chaleur massique
c1 à la température T1. On rajoute une autre masse de glace m2, de chaleur massique c2 à la
température T2 (T2<0). Le système évolue vers une température finale appelée température
d’équilibre Te.
Supposons la température d’équilibre Te > 0, calculons la chaleur latente de fusion de la glace Lf :
Soit QA + Qcal la chaleur cédée par l’eau et le calorimètre :
.
Soit QB la chaleur reçue par la glace:
Tf : la température de fusion de la glace (Tf = 273K). La chaleur dans le calorimètre se conserve
(pas d’échange d’énergie avec le milieu extérieur) :
0
.
0
Première année LMD ST/SM 4 UMMTO / Faculté des sciences
TP thermodynamique
TP2 : Lois des gaz parfaits
Objectifs du TP
• Suivre la variation de la pression d’un gaz parfait en fonction du volume à température
constante.
• Suivre la variation du volume d’un gaz parfait en fonction de la température à pression constante.
• Suivre la variation de la pression d’un gaz parfait en fonction de la température à volume constant.
• Calcul des coefficients de dilatation (α), de compression (β) et de compressibilité (χ).
I-
Développement théorique
1- Transformation d’un système:
La transformation d’un système, d’un état d’équilibre initiale 1 vers un état d’équilibre final 2,
s’accompagne de la modification d’une ou plusieurs variables d’état due aux échanges d’énergie avec
le milieu extérieur (ME). On distingue plusieurs types de transformations :
9 Transformation isotherme: transformation qui s’effectue à température constante T2 = T1.
9 Transformation isobare: transformation qui s’effectue à pression constante P2 = P1.
9 Transformation isochore: transformation qui s’effectue à volume constant V2 = V1.
9 Transformation adiabatique: transformation qui s’effectue sans échange de chaleur avec ME.
2- Modèle des gaz parfaits
Un gaz parfait est un gaz réel (H2, O2,…) pris à basse pression et le volume des molécules ainsi que
leurs interactions deviennent négligeables. L’équation d’état des gaz parfaits est donnée par :
PV= n.R.T ……………………..(1)
où
P: Pression du gaz (pascal, atm, cmHg); 1atm = 1.0123. 105 pascal = 76 cmHg ;
V: Volume occupé par le gaz (m3, litre);
n: Nombre de mole de gaz (moles) ;
T: Température absolue (K); T(K) = θ(°C) + 273.15
R: Constante des gaz parfaits = 0.082 L.atm/mol K = 8.314 J/mol K =1.987 cal/mol K.
On définit pour l’équation d’état PV = n RT, les coefficients suivants :
Première année LMD ST/SM 5 UMMTO / Faculté des sciences
TP thermodynamique
Coefficient de dilatation volumique à pression constante α :
Coefficient de compression à volume constant β : β
Coefficient de compressibilité χ :
P
α
V
V
T P
P
T V
V
V
P T
3- Lois des gaz parfaits
Le comportement des gaz parfaits obéit aux lois historiques de Boyle Mariotte (1662), de Charles
(1787) et de Gay-Lussac (1802).
PARTIE A : Cas isotherme
¾ loi de Boyle Mariotte (1662)
A température constante, la pression et le volume sont
inversement proportionnels: P.V = constante.
Cette loi donnant P=f(V) se traduit graphiquement par
une hyperbole (figure 1) appelée isotherme.
Figure 1
PARTIE B : Cas isochore et isobare
¾ Loi de Charles (1787)
A volume constant, la pression d’un gaz parfait augmente avec la température :
P
P 1
β. θ
Où
P0 : la pression du gaz à 0°C,
P : la pression du gaz à θ °C,
β : coefficient de compression à volume constant.
La représentation graphique (figure 2) de cette loi donnant P = f(θ) est une droite (appelée
isochore) d’ordonnée à l’origine égale à P0 et de pente égale à P0 β.
Première année LMD ST/SM 6 UMMTO / Faculté des sciences
TP thermodynamique
a tm
P
p 0β
P0
τ
°C
Figure 2
¾ Loi de Gay-Lussac (1802)
A pression constante, le volume occupé par une quantité de gaz parfait augmente avec la
température :
V
V 1
α. θ
Où
V0 : le volume du gaz à 0°C, V : le volume du gaz à θ°C,
α : coefficient de dilatation volumique à pression constante.
La figure 3 donne le tracé de V = f(θ); c’est une droite d’ordonnée à l’origine égale à V0 et de
pente égale à αV0.
(L )
V
αV 0
V0
τ
(°C )
Figure 3
L’expérience montre que pour les gaz parfaits : α = β =
.
= 3,661.10-3 °C-1
La relation (1) nous permet d’écrire :
dV
V
T
dT
V
dP………………..(2)
P T
A volume constant : dV = 0 :
Première année LMD ST/SM 7 UMMTO / Faculté des sciences
TP thermodynamique
dP
dT
∂V
∂T
∂V
∂P
V P
T
αV
V
α
βP
Donc le coefficient de compressibilité χ est donné par
II-
α
βP
Description de l’appareil de Boyle Mariotte
L’appareil de Boyle Mariotte permet l’étude du comportement d’un gaz parfait lors de la
modification de ses variables d’état. La quantité d’air (gaz parfait) considérée servant d’objet de
mesure se trouve dans un tube en verre qui est relié à un manomètre à mercure en forme de U
destinée à la mesure de la pression.
L’ensemble de l’appareillage est monté sur une tige support de 2 m de hauteur, le tube de mesure
étant fixe tandis que le réservoir à mercure est monté dans une glissière qui peut être déplacée tout le
long de la tige support. Ce déplacement vertical permet de faire varier la pression et le volume de la
quantité d’air étudiée. Les différences de hauteur du niveau de mercure dans les deux tubes de
mesure peuvent être relevées au moyen d’une règle de 1.3 m fixée sur le support et graduée en cm.
Pour faire varier la température, le tube de mercure est entouré d’une gaine dans laquelle circule de
l’eau. Elle est pourvue d’un bouchon perforé dans lequel un thermomètre a été fixé.
Lorsque l’appareil est au repos, le bouchon en caoutchouc rouge accroché par la chainette au tube de
mercure doit être fermé. Ce bouchon ne doit être retiré que pendant l’expérience (pression extérieure
= pression intérieure).
Le volume est proportionnel à la hauteur de la colonne d’air emprisonné dans le tube de mesure selon
la relation suivante :
V
π h V
Où
d : diamètre du tube (d= 11.4 mm), Vc est le volume de la partie courbée du tube, elle est peinte en
jaune (Vc= 1.01mL). Le volume en cm3 est donné par :
V cm
1.02 h
1
Avec hair en cm
Première année LMD ST/SM 8