Thermodynamique TD 1 – Calorimétrie

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BioPhysique
Thermodynamique
TD 1 – Calorimétrie
MiMo Thermodynamique S2/ Module 2 : La chaleur
Exercice 1.
Une bille d’acier de masse 𝑚1 = 80 𝑔 possède une température initiale 𝜃1 = 200 °𝐶. Celleci est plongée dans une enceinte adiabatique contenant un volume d’eau 𝑉2 = 0,25 𝐿 à la
température 𝑇2 = 290 𝐾. On considérera que les capacités calorifiques de l’acier et de l’eau
sont constantes dans l’intervalle de température défini par 𝑇1 et 𝑇2 :
𝐶𝑝1 = 450 𝐽. 𝐾 −1 . 𝑘𝑔−1 pour l’acier, et 𝐶𝑝2 = 4190 𝐽. 𝐾 −1 . 𝑘𝑔−1 pour l’eau de masse
volumique 𝜌𝑒𝑎𝑢 = 1𝑔. 𝑐𝑚−3 .
Quelle est la température finale lorsque l’équilibre thermique est atteint ?
Exercice 2.
Quelle est la quantité de chaleur nécessaire pour convertir 10 𝑔 de glace à −20°𝐶 en
vapeur à 100°𝐶 ?
On donne :
Chaleur massique de l'eau : 𝐶𝑒𝑎𝑢 = 4185 𝐽. 𝑘𝑔−1 . 𝐾 −1
Chaleur massique de la glace: 𝐶𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒 = 2090 𝐽. 𝑘𝑔−1 . 𝐾 −1
Chaleur latente de fusion de la glace: 𝐿𝑓 = 3,34.105 𝐽. 𝑘𝑔−1
Chaleur latente de vaporisation de l’eau : 𝐿𝑣 = 2,25.106 𝐽. 𝑘𝑔−1
Exercice 3.
Un morceau de zirconium de 300g à 200°C est introduit dans une cuve adiabatique
remplit d’un demi-litre d’une huile industrielle à 50°C. Le système évolue vers l’équilibre.
Calculer la température d’équilibre atteinte par le système (eau-zirconium)
On donne : 𝐶𝑍𝑟 = 0,27𝑘𝐽. 𝑘𝑔−1 . 𝐾 −1 , 𝐶ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 = 2𝑘𝐽. 𝑘𝑔−1 . 𝐾 −1 , 𝜌ℎ𝑢𝑖𝑙𝑒 = 800𝑘𝑔. 𝑚−3 .
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Exercice 4.
Quelle masse 𝑚 de glace, initialement à une température 𝜃1 = −5°𝐶, pourrait-on faire
fondre si on pouvait transformer intégralement en chaleur l’énergie potentielle d’une
masse 𝑚’ = 300 𝑘𝑔 située à l’altitude 𝑧 = 5 𝑚 ?
On donne : Chaleur massique de la glace: Cglace = 2090 J. kg −1 . K −1
Chaleur latente de fusion de la glace: 𝐿𝑓 = 3,34.105 𝐽. 𝑘𝑔−1
Exercice 5.
Pour refroidir 1 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑒 de jus d’orange pris à 30 °𝐶 on introduit une certaine masse de glace à
0°𝐶. On admet qu'il n'y a échange de chaleur qu'entre la glace et le jus de fruit (rien ne se
perd vers l’extérieur). Calculer la masse de glace nécessaire pour que la température finale
de l'ensemble soit de 10 °𝐶.
On donne :
Masse volumique du jus d’orange : 𝜌𝑗𝑢𝑠 = 1330 𝑘𝑔. 𝑚−3
Chaleur massique de l'eau : 𝐶𝑒𝑎𝑢 = 4,18 𝑘𝐽. 𝑘𝑔−1 . 𝐾 −1
Chaleur massique de la glace: 𝐶𝑔𝑙𝑎𝑐𝑒 = 2090 𝐽. 𝑘𝑔−1 . 𝐾 −1
Chaleur massique du jus d’orange : 𝐶𝑗𝑢𝑠 = 414 𝐽. 𝑘𝑔−1 . 𝐾 −1
Chaleur latente de fusion de la glace: 𝐿𝑓 = 333 𝑘𝐽. 𝑘𝑔−1
Chaleur latente de vaporisation de l’eau : 𝐿𝑣 = 2257 𝑘𝐽. 𝑘𝑔−1
Exercice 6.
On sort un bloc de plomb de masse 𝑚1 = 300𝑔 d'une étuve à la température 𝜃1 = 98 °𝐶.
On le plonge dans un calorimètre de capacité thermique 𝐶 = 209 𝐽. 𝐾 −1 contenant une
masse 𝑚2 = 350𝑔 d'eau. L'ensemble est à la température initiale 𝜃2 = 20°𝐶. On mesure la
température d'équilibre thermique 𝜃𝑒 = 21,9°𝐶.
Déterminer la chaleur massique du plomb.
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