TP Thermodynamique. Ce TP est évalué à l'aide du compte-rendu pré-imprimé et des courbes produites.

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1 TP Thermodynamique Ce TP est évalué à l'aide du compte-rendu pré-imprimé et des courbes produites. Objectif : Réaliser différentes expériences de thermodynamique physique. Gérer les 2 h 30 de TP sachant que les ateliers sont installés en un seul exemplaire : alternance avec l autre binôme. 1 Hydrostatique Plongeur et manomètre à eau Le tube en U rempli en partie d eau est relié à une sonde par un tuyau étanche : cet ensemble constitue un manomètre à eau. La colonne d air située au dessus du point A est à la même pression que l air contenu dans la sonde. La colonne d air située au dessus du point B est en contact avec l air à pression atmosphérique. Figure 1 - Comment varie la pression avec la profondeur? 1. Expliquer brièvement pourquoi lorsque la sonde est hors de l eau, A et B sont à la même hauteur. 2. Donner différentes profondeurs à la sonde et relever les valeurs de. Faire un tableau. 3. Exploiter judicieusement le tableau de mesures. 4. Commenter, conclure. Comment justifier l écart à la théorie? 5. Avec un peu d imagination, à quoi pourrait servir ce dispositif? Ne pas oublier d'imprimer son travail (graphique(s) et tableau Régressi) correctement annoté.

2 2 Isotherme et loi des gaz parfaits Seringue et pressiomètre permettant de vérifier la loi des gaz parfaits en situation isotherme On utilise un dispositif comprenant une grosse seringue reliée à un pressiomètre via un tube souple transparent. On note le volume d air à l intérieur de la seringue,, le volume d air à l intérieur du tube transparent et le volume d air total.le volume est inconnu mais constant. On mesurera le température avec un thermomètre de la salle, la pression est donnée par le pressiomètre. Le volume se mesure à la règle, connaissant la section du piston de la seringue : le plus judicieux est de rentrer dans Régressi les valeurs de longueur et leur incertitude ( de confiance) puis de faire calculer au logiciel le volume (il calculera alors directement l'incertitude ( ) sur le volume). On rappelle l'équation des gaz parfaits : avec le volume total noté ici. 1. Faire un schéma du dispositif expérimental en faisant apparaitre les différents volumes. 2. Mesurer différentes valeurs du couple (, ), remplir un tableau de mesures. 3. Estimer l incertitude ( de confiance) de mesure du volume (évaluer la plage de valeur acceptable pour la position du piston et utiliser ). Calculer celle sur la pression sachant que le constructeur du pressiomètre donne 4. Ajouter à ce tableau une ligne faisant apparaître la grandeur. 5. Tracer sous Régressi la courbe. 6. Conclure (loi vérifiée?) en considérant que la température et la quantité de matière sont constantes. 7. Comment justifier l écart à la théorie? 8. Déduire d une modélisation du graphique le volume de l air contenu dans le tuyau transparent ainsi que le nombre de moles constituant. Le logiciel Régressi donne les incertitudes (à un niveau de confiance de 95%) sur ces deux grandeurs, les noter. Noter la température ambiante lors de cette manipulation. 9. Evaluer géométriquement le volume contenu dans le tube transparent (c'est un cylindre). L ordre de grandeur est-il cohérent avec celui du volume trouvé par modélisation graphique? Donnée : constante des gaz parfaits :. Ne pas oublier d'imprimer son travail (graphique(s) et tableau Régressi)

3 correctement annoté. 3 Isochore et loi des gaz parfaits Erlenmeyer et pressiomètre, vérification de la loi des gaz parfait en situation isochore On dispose d un erlenmeyer en verre muni d un bouchon et d une casserole d eau posée sur une plaque électrique. L erlenmeyer est maintenu par un pied et est plongé dans l eau de la casserole. Cet erlenmeyer contient de l air, il est fermé mais on peut y mesurer la température et la pression. 1. Faire varier la température en chauffant plus ou moins et mesurer différents couples de valeurs (, ). Remplir un tableau de mesures. 2. Ajouter une ligne au tableau pour faire apparaître les rapports. 3. Conclure. Comment justifier l écart à la théorie? 4 Utilisation de la cloche à vide Les différents éléments du système pompe - cloche à vide 4.1 Ballon de baudruche Sous la cloche à vide, on introduit un ballon de baudruche peu gonflé : environ 1/3 de son volume total possible. Faire le vide sous la cloche et observer le comportement du ballon. Expliquer.

4 4.2 Pression de vaporisation de l eau Ebullition de l'eau sous pression réduite Cette expérience permet de montrer l influence de la pression sur la température d ébullition de l eau. Mettre de l eau "chaude" (entre et ) dans un bêcher : le placer sous la cloche à vide et faire le vide pour diminuer la pression. 1. Observer l évolution de la pression à l aide d un baromètre relié à la cloche à vide pour mesurer la pression. 2. Pour une température T, mesurer au moment de l ébullition la pression. est mesurée avant et après la mise sous cloche puis moyennée (à moins de lire le thermomètre directement quand il est sous la cloche). 3. Recommencer pour 2 autres températures. 4. Conclure. 5 Azote liquide : effets des basses températures Prudence! Risques de brûlures. La température de cet azote liquide est de qui est la température de vaporisation du diazote. Précautions : port de gants et de lunettes. 5.1 Effet du froid sur les gaz : ballon de baudruche Effet de la pression sur l'air contenu dans un ballon de baudruche 1. Mettre un ballon de baudruche gonflé dans un cristallisoir, verser un peu d azote liquide dessus (pendant quelques secondes). 2. Expliquer ce que vous observez.

5 5.2 Contact entre de l azote liquide et de l eau liquide Contact entre l'azote liquide et l'eau liquide 1. Remplir un petit bêcher au tiers d eau puis verser un peu d azote liquide. 2. Expliquer ce que vous observez. 3. Qu obtient-on à la fin de l expérience? 4. De quoi est constitué le nuage que l on voit "s écouler" pendant l expérience? A quelle température environ peut-il être? 6 Moteur de Stirling Petite histoire du moteur à air chaud (dit "moteur de Stirling") :Découvert en 1816 (brevet déposé) par le pasteur et ingénieur Robert Stirling, ce moteur pourrait remplacer le traditionnel moteur à explosion. Contrairement à ce dernier, le moteur Stirling utilise un fluide (ici : l air) contenu dans une enceinte fermée, chauffé par une source de chaleur extérieure à l enceinte. C est donc un moteur à combustion externe, avec de nombreux avantages : combustion en continu, plus complète, pas de soupapes d admission et d échappement, donc moins de bruit, et possibilité (théorique) d utiliser tout combustible solide, liquide, gazeux, solaire, nucléaire! D où des prototypes pour la production d électricité, l irrigation et le dessalement de l eau. Ses principaux avantages sont : le silence de fonctionnement ; le rendement élevé ; les nombreuses sources chaudes possibles. Ses principaux inconvénients sont : le prix ; la variété des modèles possibles, ce qui empêche la standardisation ; les problèmes d étanchéité si l on souhaite des pressions de fonctionnement élevées ; son manque de souplesse puisqu il "préfère" fonctionner à régime constant (gros inconvénient pour l industrie automobile). Source : http :// Le moteur de Stirling permet la transformation d énergie thermique en énergie mécanique.

6 6.1 Description 1. Bac, pour le brûleur 2. Raccord pour la mesure de la pression 3. Piston de travail 4. Tige filetée (reliée au piston de travail) 5. Volant 6. Génératrice («dynamo») électrique 7. Piston de refoulement Dans cette maquette du moteur de Stirling, le fluide est l air. Celui-ci circule dans les différents pistons, l ensemble étant hermétique. Le piston de travail et le déplaceur (ou piston de refoulement) sont tous les deux en verre et placé parallèlement entre eux.on remarquera que les mouvements des pistons sont toujours décalés. Figure 2 - Maquette pédagogique du moteur de Stirling Figure 3 - Photo de la maquette Cycle de transformations Pour le cycle de Stirling "idéal" : les 4 transformations sont réversibles : 2 isochores et 2 isothermes. En réalité le cycle n est pas réversible donc le rendement est loin d être maximal. Et l allure du cycle est sans angle et sans partie rectiligne. Figure 4 - Diagramme de Clapeyron du moteur de Stirling

7 Le rendement est défini par : Sachant que le travail fourni par le moteur est produit durant la phase de détente (3,4). La chaleur consommée l'est pendant la phase (2,3) de chauffage. 6.2 Manipulations Etude du moteur en charge Fonctionnement de la maquette du moteur de Stirling On veut utiliser l énergie mécanique donnée par le moteur. Mettre la courroie entre la génératrice et le volant. 1. Pendant que le moteur tourne, brancher une ampoule aux bornes de la génératrice. Que se passe-t-il? Débrancher l ampoule, que se passe-t-il? 2. Remplacer l ampoule par une DEL et faire la même manipulation. Conclure Quelques mesures 1. Mesurer la tension à vide (sans ampoule) aux bornes de la génératrice : pour cela, placer le voltmètre directement aux bornes de la génératrice. 2. Mesurer le courant de court-circuit : pour cela, brancher directement l ampèremètre aux bornes de la génératrice. 3. Calculer la puissance débitée par le moteur et commenter sa valeur.