TRANSFORMATION D'ÉNERGIE Déterminer, expérimentalement, la quantité d'énergie électrique consommée par un résistor.

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1 CHAPITRE 8 TRANSFORMATION D'ÉNERGIE Déterminer, expérimentalement, la quantité d'énergie électrique consommée par un résistor. 1. Lors de l'expérimentation # 19, tu as observé une chute de tension de 26 V dans les fils de nichrome du circuit 1. Le courant dans ces fils était de 3,6 A. Calcule la quantité d'énergie dissipée dans ces fils si le circuit fonctionne pendant 15 minutes. 2. Sous quelle forme retrouve-t-on l'énergie dissipée par les fils? 3. Quel effet, l'énergie dissipée, a-t-elle causé sur les fils? 4. Calcule l'énergie dissipée dans un résistor de 5 Ω traversé par un courant de 2 A pendant 15 minutes. 3

2 2.5.2 Calculer, à l'aide d'une relation mathématique, une quantité d'énergie thermique. Lors de la préparation des repas, nous utilisons différents contenants pour chauffer les aliments. Pourquoi la casserole de pyrex met-elle plus de temps à chauffer que celle en acier? Pourquoi la poêle de fonte reste-elle chaude plus longtemps que celle d'aluminium? chaleur massique Titre: But: Matériel: C 1 source de tension variable C 1 résistor de 1 S C 1 voltmètre C 4 fils de raccordement C Eau distillée C 1 balance C 2 pinces alligator C Alcool méthylique C 1 chronomètre C 3 béchers de 400 ml C 1 thermomètre Schéma de montage + V - e figure 1 4

3 Schéma des manipulations Observations Balance Eau Alcool méthylique 3 béchers de 400 ml Déposer 150 g d'eau dans le premier bécher et 150 g d'alcool dans le deuxième. Déposer 300 g d'eau dans le troisième bécher. Thermomètre Source de tension Voltmètre Résistor 4 fils de raccordements 2 pinces Mesurer et noter la température des liquides contenus dans les 3 béchers Chronomètre N bécher # 1 N bécher # 2 N bécher # 3 Monter le circuit de la figure 1 Déposer le résistor dans le bécher contenant 150 g d'alcool Mettre la source en marche à 9 V pendant 2 minutes Mesurer et noter la température du liquide contenu dans le bécher 2 fois Changer de bécher Nettoyer et ranger le matériel N bécher # 1 N bécher # 2 N bécher # 3 Fin 5

4 Tableau des données et des résultats: Bécher Substances Masse (g) Température initiale ( C) Température finale ( C) ÄT ( C) Temps (s) 1 Alcool 2 Eau 3 Eau Calculs: Discussion: 1. Quelle est la substance dont la température varie le plus rapidement? 2. Laquelle des trois substances a reçu le plus d'énergie? 3. La variation de température est-elle toujours la même pour des temps de chauffage égaux avec la même quantité d'énergie? 4. La nature de la substance affecte-t-elle la variation de la température? 5. Trouve un autre facteur qui affecte la variation de la température? 6

5 6. Pour augmenter de 10 C la température des substances contenues dans chacun des béchers tu devras fournir des quantités d'énergie différentes dans chaque cas. a) Quel bécher devra recevoir la plus grande quantité d'énergie? b) Quel bécher devra recevoir la plus petite quantité d'énergie? 7. Sachant que la chaleur est une forme d'énergie, quelle unité de mesure sert à la mesurer? 8. Quelle différence y a-t-il entre chaleur et température? la chaleur massique La ( ) d'une substance est la quantité de chaleur ( ) mesurée en, nécessaire pour augmenter de la température ( ) d'une masse ( ) de de cette substance. On mesure la chaleur massique en )))))))) La chaleur massique est différente pour chaque substance pure, c'est donc une qui nous permet la substance. EXEMPLES: C La chaleur massique de l'eau est de 4,19 )))))))), ce qui signifie qu'un gramme d'eau qui absorbe 4,19 joules d'énergie thermique voit sa température s'élever de. C La chaleur massique de l'alcool méthylique (2,54 )))))))) ) nous indique que cette substance absorbe ou dégage d'énergie que l'eau pour une variation de température de 1 C. Il sera donc plus facile de chauffer ou de refroidir de l'alcool que de faire les mêmes opérations sur des quantités égales d'eau. 7

6 L'Énergie thermique L'énergie thermique, qu'on appelle aussi ( ) se mesure en. Pour calculer la quantité d'énergie thermique absorbée ou dégagée par une substance, on utilise la relation mathématique suivante: Q = mc T Q = en m = en c = en ÄT = en 1. Isole la variable c (chaleur massique) dans la relation Q = mc ÄT. 2. Dans la relation du numéro 1, remplace les symboles des grandeurs physiques par les symboles des unités de mesure correspondantes et trouve l'unité de mesure de la chaleur massique. 3. À l'aide d'un vade-mecum, trouve la chaleur massique des substances suivantes: a) Eau b) Éthanol c) Glycérine 4. Quel liquide de la question précédente serait le plus efficace pour transporter de la chaleur dans un système de chauffage? Justifie ta réponse. 8

7 5. Quelle est la quantité d'énergie thermique transmise par un système de chauffage à l'eau chaude si 150 kg d'eau quitte la bouilloire à 75 C et revient à 40 C? 6. Calcule la variation de température d'un bloc d'aluminium de 75 g qui absorbe 1500 J d'énergie. 7. On retire une barre de fer de 2,5 kg d'un baril d'eau glacée et on la place au soleil. Quelle est sa température au bout de 5 minutes si elle a absorbé J d'énergie? 9

8 8. Calcule la masse d'un objet en cuivre dont la température a varié de 18 C après avoir absorbé 110 kj d'énergie. 9. Trouve la chaleur massique de 200 kg d'une substance dont la température varie de 7 C après avoir absorbé 3 MJ. 10. Une substance de 1,5 kg à 35 C libère J d'énergie pour atteindre une température de 20 C. Détermine la nature de la substance. 10

9 11. Combien d'énergie est-il nécessaire pour porter à ébullition 2 litres d'eau si celle-ci est à 6 C à la sortie du robinet? 12. On coule une masse de 45 g de plomb en fusion dans un moule de cuivre dont la température est de 22 C. Au bout d'un certain temps, les deux substances sont à la même température, soit 145 C. Quelle est la masse du moule? 13. On mélange 125 g d'eau à 200 g d'alcool. La température initiale de l'eau est de 30 C et celle de l'alcool est de 50 C. La température finale du mélange est de 40 C. Quelle est la chaleur massique de l'alcool? 11

10 2.5.3 Analyser, à l'aide de mesures et de calculs, une transformation d'énergie électrique en énergie thermique. Dans tes activités quotidiennes, tu utilises des quantités importantes d'eau chaude. La plupart des chauffe-eau domestiques fonctionnent à l'électricité. Comment ce système augmente-il la température de l'eau? Y a-t-il des pertes d'énergie dans ces apapreils? EXPÉRIMENTATION #20 TRANSFORMATION D'ÉNERGIE Titre: But: Hypothèse: Matériel: C Source d'énergie électrique C Un calorimètre C Un ampèremètre C 2 pinces alligator C Un thermomètre C Un voltmètre C 6 fils de raccordement C Un interrupteur C Un chronomètre C Une balance C Eau distillée Schéma de montage A V Agitateur Résistor Aluminium Thermomètre Air Plastique Eau Calorimètre à résistor 12

11 Calorimètre à résistor Observations Balance Eau distillée Mesurer la masse du calorimètre vide N m calorimètre Verser de l'eau dans le calorimètre (environ au 2/3) Mesurer la masse du calorimètre avec l'eau Source variable Ampèremètre Voltmètre Fils Interrupteur Faire le montage de l'expérimentation Balance N m calorimètre + eau Fermer l'interrupteur, ajuster la source pour obtenir 5 A et ouvrir l'interrupteur Thermomètre Chronomètre Mesurer la température de l'eau N T i Fermer l'interrupteur et mettre le chronomètre en marche Noter la tension du voltmètre Noter l'intensité du courant de l'ampèremètre N U N I Agiter l'eau Attendre 2 minutes Noter la température de l'eau lue au thermomètre 5 fois Nettoyer et ranger le matériel Fin N T 1 N T 2 N T 3 N T 4 N T 5 13

12 rapport de laboratoire Rédige un rapport complet de l'expérimentation # 20 C Insère dans ton rapport le protocole qui t'a été fourni. C Trace un tableau des données. C Calcule l'énergie électrique fournie par le résistor. C Calcule l'énergie thermique absorbée par l'eau. C Calcule l'énergie thermique absorbée par le calorimètre d'aluminium (sa température est toujours égale à celle de l'eau). C Compare l'énergie électrique avec l'énergie thermique Résoudre des exercices numériques portant sur la loi de la conservation de l'énergie dans une transformation d'énergie électrique en énergie thermique. 1. Calcule la quantité d'énergie transmise à l'eau par l'élément d'une bouilloire électrique qui chauffe pendant 5 minutes. La bouilloire fonctionne sur un circuit de 110 V et utilise un courant de 9 A. 2. Pendant combien de temps doit fonctionner la bouilloire du numéro précédent pour transmettre à l'eau 0,5 MJ d'énergie? 14

13 3. Quelle est la résistance d'un fil de nichrome traversé par 5 A baignant dans 500 g d'eau si l'eau a absorbé J d'énergie durant 7 minutes? 4. Un résistor est immergé dans 500 g de glycérine. Après 12 minutes de chauffage, la température de la glycérine est passée de 24 C à 55 C. Détermine la tension aux bornes du résistor si sa résistance est de 2 Ω. 15

14 5. Un élément chauffant dans un chauffe-eau est traversé par un courant de 15 A. Après 1,5 heure de fonctionnement, les 250 kg d'eau ont atteint 69 C. Quelle est la température avant chauffage si le chauffe-eau est branché sur une source de 220 V? 6. Lors d'une expérimentation, on chauffe 458 g d'alcool éthylique (éthanol) et on mesure une augmentation de température de 21 C après 10 minutes de chauffage. La tension de la source est de 6 V et la résistance du calorimètre est de 1,5 Ω. La loi de la conservation de l'énergie est-elle respectée? Justifie ta réponse. 16

15 7. On chauffe pendant 16,5 minutes une quantité inconnue de mercure dans un calorimètre et sa température varie de 150 C. La différence de potentiel aux bornes du résistor est de 23 V et il est traversé par un courant de 2,37 A. Trouve le volume du mercure dans le calorimètre. 8. À l'aide d'un calorimètre possédant une résistance de 1,2 Ω, on chauffe 321 g d'eau pendant 12 minutes. Le courant traversant le résistor du calorimètre est de 4,8 A et la température initiale de l'eau est de 22 C. Après le chauffage, on ajoute dans le calorimètre une certaine quantité d'alcool (méthanol) à 21 C et on observe une diminution de température de 5 C. Quelle est la masse d'alcool ajoutée? 17

16 MOTS CROISÉS

17 INDICES HORIZONTALEMENT 1. Recueil d informations. 4. Principe selon lequel l énergie ne peut se perdre. 5. Mesure d un niveau de chaleur. 6. Appareil servant à mesurer une des grandeurs physiques de l énergie thermique. 7. Quantité de matière. 9. Sa chaleur massique est égale à 4,19 J/(g C). 11. Degré d élévation. 12. Caractère de ce qui peut être mesuré ou compté. 13. Capacité de produire un travail. VERTICALEMENT 2. Propriété caractéristique reliée à l énergie thermique. 3. Quantité d énergie thermique. 4. Appareil servant à mesurer l énergie thermique. 6. Forme d énergie relative au mouvement des molécules. 8. Passage de l état solide à l état liquide. 10. Unité du système international (SI) servant à mesurer l énergie. 19