1 ère S. «Thème 3 / L énergie et ses transferts» Livret 1 / Les TP

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1 1 ère S «Thème 3 / L énerge et ses transferts» Lvret 1 / Les TP

2 Sommare Page 3 : Page 5 : Page 6 : Page 7 : Page 8 : Page 9 : TP/ Chaleur latente de fuson de la glace TP/ Détermnaton d une énerge de combuston TP/ Etude de la chute vertcale d une balle TP/ Etude de mouvements de balles dans le champ de pesanteur TP/ Rendement d une boullore électrque TP/ Les ples électrochmques

3 Thème 3 : L énerge et ses transferts Actvté expérmentale Chaleur latente de fuson de la glace On désre vérfer expérmentalement que la chaleur latente de fuson de la glace est L fuson = 330 J.g -1 Que sgnfe cette valeur? Expérence 1 Verser dans un gros bécher de l eau chauffée par une boullore. Placer un thermomètre dans le bécher. Peser le vase ntéreur du calormètre ; noter la masse m du vase A l ade d une éprouvette graduée, verser 100 ml d eau à température ambante, dans le vase du calormètre ; noter la masse m 1 d eau versée Replacer le vase dans le calormètre et le fermer ; agter l eau pus relever, et noter 1 la température d équlbre du calormètre et de l eau (système tempéré) Relever et noter la température de l eau chaude Verser de l eau chaude dans le calormètre ; agter et noter f la température d équlbre Peser le vase ntéreur du calormètre et en dédure la masse m d eau chaude ntrodute Reprodure, et compléter le tableau suvant, récaptulant les dfférentes mesures effectuées Eau tempérée Eau chaude m 1 1 m f Donner la formule permettant de calculer E Th1, l énerge thermque gagnée par l eau tempérée au cours du mélange en foncton de m 1, C eau, 1 et f Calculer E Th1 Donnée : C eau = 4,18 J.g -1. C -1 Donner la formule permettant de calculer E Th1, l énerge thermque gagnée par le vase du calormètre au cours du mélange en foncton de m, C alu, 1 et f Donner la formule permettant de calculer E Th, l énerge thermque perdue par l eau chaude au cours du mélange en foncton de m, C eau, et f Calculer E Th Donnée : C eau = 4,18 J.g -1. C -1 En admettant que le transfert d énerge a leu dans une encente solée et que les futes thermques vers le mleu extéreur sont néglgeables, donner une relaton entre E Th1, E Th1 et E Th Calculer C alu, la valeur de la capacté calorfque massque de l alumnum

4 Expérence Mettre pluseurs glaçons, dans un gros bécher contenant de l eau frode. Peser le vase ntéreur du calormètre ; noter la masse m du vase A l ade d une éprouvette graduée, verser 100 ml d eau à température ambante, dans le vase du calormètre ; noter la masse m 1 d eau versée Replacer le vase dans le calormètre et le fermer ; agter l eau pus relever et noter 1 la température d équlbre du calormètre et de l eau (système tempéré) Essuyer rapdement glaçons et les mettre dans le calormètre. La température des glaçons est = 0 C Agter et noter la température fnale f stablsée de l eau lorsque les glaçons ont complètement fondu : Peser le vase ntéreur du calormètre et en dédure la masse m des glaçons ntroduts Reprodure, et compléter le tableau suvant, récaptulant les dfférentes mesures effectuées Eau tempérée Eau frode (fonte de la glace) m 1 1 m f 0 C Donner la formule permettant de calculer E Th1, l énerge thermque perdue par l eau tempérée au cours du mélange en foncton de m 1, C eau, 1 et f Calculer E Th1 Donnée : C eau = 4,18 J.g -1. C -1 Donner la formule permettant de calculer E Th1, l énerge thermque perdue par le vase du calormètre au cours du mélange en foncton de m, C alu, 1 et f Calculer E Th1 Donnée : C alu = 1,1 J.g -1. C -1 Donner la formule permettant de calculer E Th, l énerge thermque gagnée par les glaçons au cours de la fonte des glaçons en foncton de m, et L fuson Donner la formule permettant de calculer E Th, l énerge thermque gagnée par l eau frode provenant de la fonte des glaçons en foncton de m, C eau, et f Calculer E Th Donnée : C eau = 4,18 J.g -1. C -1 En admettant que le transfert d énerge a leu dans une encente solée et que les futes thermques vers le mleu extéreur sont néglgeables, donner une relaton entre E Th1, E Th1, E Th et E th Calculer L fuson, la chaleur latente de fuson de la glace Comparer avec la valeur théorque en calculant le pourcentage d erreur

5 Thème 3 : L énerge et ses transferts Actvté expérmentale Détermnaton d une énerge de combuston Données Capactés calorfques massques C eau = 4,18 J.g -1. C -1 C alu = 0,90 J.g -1. C -1 Calculer l énerge thermque reçue par l eau et la cannette lors du chauffage Peser une cannette en alumnum et noter sa masse A l ade d une éprouvette graduée, verser 150 ml d eau frode (de 5 à 10 C) dans la cannette Attendre l équlbre thermque de la cannette et de l eau et noter la température de l ensemble Peser la bouge avant de l allumer et noter sa masse Placer la bouge sous la cannette, l allumer et entourer le dspostf d une feulle d alumnum afn que la chaleur de la flamme sot canalsée au meux vers la boîte métallque Agter doucement et régulèrement Lorsque la température attent envron 30 C, étendre la bouge ; relever la température fnale On suppose que la chaleur fourne par la combuston de la bouge a été ntégralement transmse à la boîte métallque et à l eau. Quelle est l énerge lbérée par la réacton de combuston de la bouge? Exprmer en kj.g -1 l énerge thermque lbérée par la combuston d un gramme de bouge Energe de combuston de quelques combustbles (en kj.g -1 ) Dhydrogène 14 Propane, butane 50 Essence 47 Gazole 45 Ethanol 30 Charbon 7 Bos 15 Peser la bouge Recoper et compléter le tableau suvant récaptulant les valeurs expérmentales m alu = m eau = Valeurs expérmentales Masses m bouge () = m bouge (f) = Températures = f =

6 Thème 3 : L énerge et ses transferts Actvté expérmentale Etude de la chute vertcale d une balle Lors d un TP, un professeur enregstre, à l ade d une webcam, la chute d une balle. Etude de la vdéo Ouvrr le logcel «AVIMECA» et trater la vdéo à l ade de l annexe «chute0.avi» Tratement des données Ouvrr le tableur «EXCEL» et trater les données à l ade de l annexe y 1 y 1 Calculer la vtesse V aux dfférents nstants t à l ade de la relaton : v ( = 0,05 s) Calculer l énerge cnétque de la balle aux dfférents nstants t à l ade de la relaton : 1 Ec mv Ec 0,5 * * V Calculer l énerge potentelle de la balle aux dfférents nstants t à l ade de la relaton : Ep mgz Ep * 9.81* y Calculer l énerge mécanque de la balle aux dfférents nstants t à l ade de la relaton : Em Ep Ec Représenter à l ade du tableur, la trajectore de la balle qu correspond à la courbe y = f(x) Représenter, à l ade du tableur, l évoluton de la vtesse en foncton du temps, v = f(t). A l ade du tableur, détermner l équaton de la drote Représenter, à l ade du tableur, sur un même graphe, les évolutons des énerges cnétque, potentelle et mécanque en foncton du temps, Ec = f(t), Ep = f(t) et Em = f(t) Imprmer la feulle de traval après sa mse en page Questons Comment peut-on qualfer le mouvement de la balle? La vtesse de la balle peut s écrre sous la forme v = a + b.t ; quelles sont les valeurs de a et de b ; donner leurs untés. Pourquo ne peut-on pas utlser le tableur pour détermner la valeur de la vtesse de la balle à t = 0 s et t = 0,5 s? Proposer une méthode qu permet de trouver tout de même ces valeurs, et les détermner. Commenter le graphe donnant les varatons des énerges en foncton du temps ; Quand dt-on qu un objet est en chute lbre Peut-on dre que la balle est en chute lbre? Justfer

7 Actvté expérmentale Thème 3 : L énerge et ses transferts Etude de mouvements de balles dans le champ de pesanteur Lors d un TP, un professeur enregstre, à l ade d une webcam, le lancer d une balle de tenns pus de polystyrène. Mouvement d une balle de tenns 1) Etude de la vdéo Ouvrr le logcel «AVIMECA» et trater la vdéo à l ade de l annexe «chute parabolque1.avi» La masse de la balle est de 56 g La hauteur de la porte de la vdéo est de m ) tratement des données Ouvrr le tableur «EXCEL» et trater les données à l ade de l annexe Calculer la vtesse V aux dfférents nstants t d à l ade de la relaton : v ( = 0,04 s) d x x y y avec Calculer l énerge cnétque de la balle aux dfférents nstants t à l ade de la relaton : 1 Ec mv Ec 0,5 * * V Représenter, à l ade du tableur, sur un même graphe, les évolutons des énerges cnétque, potentelle et mécanque en foncton du temps, Ec = f(t), Ep = f(t) et Em = f(t) Imprmer la feulle de traval après sa mse en page Mouvement d une balle de polystyrène Refare le même traval que précédemment à partr de la vdéo montrant le lancer d une balle de polystyrène «Parabole_polystyrène.av» La masse de la balle est de 1,33 g La hauteur de la règle de la vdéo est de 1,0 m v d x x y y d 1 0,5 * * V Ec Ep * 9.81* y Calculer l énerge potentelle de la balle aux dfférents nstants t à l ade de la relaton : Ep mgz Ep * 9.81* y Em Ep Ec Calculer l énerge mécanque de la balle aux dfférents nstants t à l ade de la relaton : Em Ep Ec Représenter à l ade du tableur, la trajectore de la balle qu correspond à la courbe y = f(x) Conclusons Conclure en explquant comment on peut explquer les varatons des énerges dans les deux cas Représenter, à l ade du tableur, l évoluton de la vtesse en foncton du temps, v = f(t).

8 Thème 3 : L énerge et ses transferts Actvté expérmentale Rendement d une boullore électrque Noter la pussance de la boullore électrque ndquée sur la plaque sgnalétque de l apparel P =... Placer une masse m d eau (ou un volume) mesurée avec précson dans la boullore. Attendre l équlbre thermque (stablsaton) et noter la température ntale de l eau. Mettre en marche et smultanément déclencher un chronomètre. Attendre l arrêt automatque de l apparel qu se produt pour une eau proche de sa température d ébullton. Relever alors f la température fnale, ans que la durée t du chauffage Reprodure l expérence avec pluseurs masses d eau dfférentes en prenant sons de ben rncer l apparel à l eau frode et d attendre après chaque remplssage l équlbre thermque. E 1 : énerge électrque reçue... E : énerge thermque reçue par l eau Rendement de la boullore Dans quels cas l effcacté de l apparel est-elle la plus grande? m (g) ( C) f ( C) t (s) E (kj) E 1 (kj) (%)

9 Thème 3 : L énerge et ses transferts Actvté expérmentale Les ples électrochmques Comment détermner la polarté de la ple? La ple de Vota Avec un ampèremètre : Compléter les fgures suvantes en représentant la ple Avec un voltmètre : Compléter les fgures suvantes en ndquant la polarté des ples Dans une lettre qu l adresse au présdent de la Socété Royale de Physque à Londres, le 0 mars 1800, l talen Alessandro Volta ( ), décrt mnuteusement les expérences qu lu ont perms de réalser la ple qu porte son nom : «Ou, l'apparel dont je vous parle, et qu vous étonnera sans doute, n'est qu'un assemblage de bons conducteurs de dfférentes espèces, arrangés d'une certane manère. Vngt, quarante, soxante pèces de cuvre, ou meux d'argent, applquées chacune à une pèce d'étan, ou, ce qu est beaucoup meux, de znc et un nombre égal de couches d'eau, ou de quelque autre humeur qu sot melleure conductrce que l'eau, smple, comme l'eau salée, la lessve. Ou des morceaux de carton mbbés de ces humeurs ; de telles couches nterposées à chaque couple ou combnason des deux métaux dfférents ; une telle sute alternatve, et toujours dans le même ordre, de ces tros espèces de conducteurs, volà tout ce que consttue mon nouvel nstrument l est capable de donner la commoton toutes les fos qu'on le touche convenablement, quelque fréquents que soent ces attouchements.» Décrre comment Volta a réalsé sa premère ple et justfer ans le nom de "ple" donné à cet objet. Que sgnfe le mot "humeur" dans ce texte?

10 Une ple aux ctrons Fonctonnement de la ple A l ade du matérel dsponble réalser une «ple au ctrons» permettant d allumer une DEL Schématser le montage ; ndquer la polarté de la ple Mesurer la f.e.m de la ple :... La ple Danell En 1836, le physcen et chmste anglas Danell ( ) amélore la ple Volta en utlsant des plaques de cuvre et de znc, une soluton de sulfate de cuvre (II), une soluton de sulfate de znc. Pour comprendre le fonctonnement d une ple Danell (ou ple cuvre-znc), on réalse le dspostf suvant : Un bécher content une plaque de cuvre plongée dans une soluton de sulfate de cuvre, et un second, une plaque de znc plongée dans une soluton de sulfate de znc. Les deux béchers (appelés «dem-ples») sont relées par un pont saln rempl d une soluton de chlorure de potassum (K +, Cl - ). A l ade de l anmaton : Compléter la fgure en ndquant : - les polartés de la ple - le sens du courant - le sens de déplacement des électrons - le sens de déplacement des ons Quels sont les deux couples oxydant/réducteur qu ntervennent lors du fonctonnement de la ple Donner les réactons aux électrodes ; ndquer comment varent l état des électrodes et les concentratons des ons des électrolytes Pole négatf : Pole postf :. Réalser la ple cuvre-znc Mesurer la valeur de la f.e.m de la ple Compléter la fgure précédente, en ndquant le voltmètre (avec ses bornes V et COM) et les polartés de la ple

11 Donner l équaton de la réacton lorsque la ple fonctonne La ple à hydrogène. D autres ples électrochmques Réalser 3 autres ples à l ade du matérel et des solutons dsponbles. Légender les ples, pus donner : - la polarté de la ple - la f.e.m de la ple - les réactons aux électrodes - la réacton d oxydoréducton globale d après Aujourd hu, plus de 80 % de l énerge produte et consommée dans le monde est ssue de sources fossles non renouvelables : charbon, pétrole ou gaz naturel. Or ces ressources sont lmtées. Leur utlsaton est à l orgne de pollutons atmosphérques mportantes qu partcpent à la multplcaton des événements clmatques majeurs ou à la fonte des glaces. Il faut donc trouver de nouvelles sources d énerge plus propre. Le dhydrogène est une des solutons pour répondre à ce double déf, énergétque et envronnemental pusque son utlsaton n émet que de l eau. Le dhydrogène n est pas une source, c est un vecteur d énerge. En effet, l faut un apport d énerge pour le préparer. Le dhydrogène n exstant pas sous forme lbre dans la nature, l faut le fabrquer ; Cela se fat prncpalement par reformage* à partr du gaz naturel ou par électrolyse** à partr de l eau. Actuellement, la majorté de l hydrogène produt l est à partr de méthane. Les ngéneurs s emploent à développer des technologes vertes pour produre le dhydrogène, à amélorer son stockage et son réseau de dstrbuton et enfn à dmnuer le coût de la ple à hydrogène. Dans la ple à combustble le dhydrogène réagt avec le doxygène pour former de l eau et créer un courant électrque. Totalement slenceuse, elle produt un courant de 110 ou 30 V, pour une pussance de 500 à 500 W. L hydrogène répond à deux défs de notre socété : développer de nouvelles énerges et rédure leur mpact sur l envronnement. Le dhydrogène est une énerge prometteuse pour rendre les véhcules propres, grâce aux récentes nnovatons pour le produre, le stocker et le dstrbuer *reformage : procédé ndustrel permettant, par chauffage, de transformer le méthane en dhydrogène et doxyde de carbone. **électrolyse : décomposton chmque produte par un courant électrque.

12 Pourquo le dhydrogène n est-l pas consdéré comme une source d énerge? D où provent le dhydrogène utlsé dans les ples à combustble? Quels sont les progrès à réalser pour une plus large utlsaton de la ple à combustble? Concluson Une ple permet de convertr de l énerge chmque en énerge électrque ; l énerge chmque mse en jeu provent d une transformaton chmque Une ple est consttuée de deux compartments (les dem-ples).chaque dem-ple comporte une électrode en métal, plongeant dans une substance conductrce qu content des ons (un électrolyte). Les deux compartments sont relés par une joncton assurant le passage des ons La joncton entre dem-ples peut être réalsée par l ntermédare d un pont saln, consttué d un tube rempl d une soluton gélfée contenant des ons susceptbles de se déplacer, ou par une paro poreuse permettant le passage des ons de l électrolyte. Répondre aux questons suvantes, à l ade de l anmaton PleCombustble.swf - Quels sont les deux réactfs ms en jeu? - Quelle est l espèce produte par la réacton? - Écrre la dem-équaton de la réacton se produsant à l anode en précsant s l s agt d une oxydaton ou d une réducton. - Même queston pour la cathode. La surface des électrodes est le sège de la transformaton chmque mettant en jeu un transfert d électrons : Au pole négatf ( =...) des électrons sont produts au cours d une réacton... les électrons crculent ensute dans le crcut extéreur pus arrvent à l électrode postve Au pole postf ( =...) les électrons sont consommés au cours d une réacton... - Écrre l équaton globale de fonctonnement de la ple : - Compléter les phrases : Le doxygène est un... car l des électrons et le dhydrogène est un. car l.... des électrons L anode est le sège d une La cathode est le sège d une.

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