AE: Transfert thermique avec ou sans changement d état

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1 AE: Transfert thermique avec ou sans changement d état Partie A: Transfert thermique sans changement d état Problématique : Pourquoi la personne ne se brûle-t-elle pas les mains? Comment évolue la température des mains, de la boisson chaude, de la tasse? Savez-vous en prenant un thermos fermé si ce dernier contient une boisson chaude ou une boisson glacée? DOCUMENT 1 : Matériel disponible Un calorimètre, thermomètre, eau froide, eau chaude, balance. DOCUMENT 2 : Transfert thermique Lorsque 2 corps à des températures différentes sont mis en contact, ils échangent de l énergie : on parle de transfert thermique. Ce transfert thermique se fait spontanément du corps chaud vers le corps froid. Si les deux corps sont placés dans une enceinte isolée thermiquement, le transfert se termine lorsque les deux corps sont à la même température (comprise entre celle du corps froid et celle du corps chaud), on dit alors qu il y a équilibre thermique. - le corps le plus froid reçoit de l énergie du corps le plus chaud et voit sa température augmenter - le corps le plus chaud cède de l énergie au corps le plus froid, et voit sa température baisser. DOCUMENT 3 : Énergie thermique On notera E th l énergie thermique reçu ou cédée par un corps. Elle a pour expression : m : masse du corps (en kg) E th = m. c. ( f i ) avec c : sa capacité thermique massique (en J.Kg -1. C -1 ) f et i : les températures du corps à l état final et initial (en C) Si E th 0, le corps a reçu de l énergie Si E th 0, le corps a cédé de l énergie DOCUMENT 4 : capacité thermique massique La capacité thermique, notée C, est déterminée par la quantité d'énergie à apporter par transfert thermique (échange de chaleur) pour élever d'un kelvin la température d'une substance. Comme elle dépend du corps, de son état physique et de sa masse m, on utilise souvent la capacité thermique massique : L'unité est en J.Kg -1. C -1 Donnée : c eau = 4, J.Kg -1. C -1 )

2 Q1 : Proposer un protocole expérimental afin de valider les informations données dans le document 2. ANA 3 /4 Q2 : Faire un schéma légendé REA 6 /2

3 Le temps quelques peu limité en activités expérimentales oblige au professeur de mentionner toutes ses observations afin que chaque élève puisse calculer les différentes variations d énergie. -J ai relevé un calorimètre dont la température à l intérieure de l enceinte est c = 20,5 C - J ai pesé une masse m 1 = 148,3 g d eau du robinet j en ai relevé la température 1 = 20,5 C et je l ai introduit dans un calorimètre, - J ai pesé une nouvelle masse m 2 = 152,3 g d eau chaude j en ai relevé la température 2 = 64 C et je l ai introduit également dans un calorimètre, - J ai fermé le calorimètre, en ayant au préalable mélanger le tout et après stabilisation de la température, j ai relevé une température finale (correspondant à la température d équilibre de mon système) f = 38,5 C. Q3 : Faites le bilan des corps qui reçoivent ou cèdent de l énergie ANA 1 /3 Q4 : Calculer l énergie thermique reçue ou cédée par chacun des corps REA 7 /3

4 DOCUMENT 5 : Système thermiquement isolé Un système est isolé thermiquement lorsqu il n échange pas d énergie avec le milieu extérieur (l air autour de lui). Par exemple, un thermos remplit de café très chaud est un système isolé car on ne ressent aucune chaleur lorsqu on le prend à la main. Un calorimètre est également un objet thermiquement isolé. Conséquence : Les échanges d énergie n ont lieu qu entre les objets à l intérieur de ce système. La somme de des énergies de tous les corps appartenant au système est nulle : Eth 1 + Eth 2 + = 0 DOCUMENT 6 : Capacité thermique du calorimètre Pour un calorimètre, l énergie thermique échangée a pour expression : E th = C. ( f ) avec C : sa capacité thermique (en J. C -1 ) Q5 : A l aide des documents 5 et 6, faire les calculs nécessaires pour déterminer la capacité thermique C du calorimètre. REA 7 /2 Q6 : Comparer cette valeur expérimentale avec la valeur donnée par le constructeur : C théorique = 200 J. C -1, expliquez l écart : VAL 2 /1

5 Partie B: Transfert thermique avec changement d état: fusion de la glace Introduction : Il est courant d utiliser des glaçons pour préparer une boisson rafraîchissante. Au fur et à mesure que les glaçons fondent, la boisson refroidit. On peut dire que l énergie...par la boisson est... par l eau des glaçons, qui subit des variations de température et un changement d état. Comment déterminer l énergie nécessaire à leur fusion? DOCUMENT 7 : Energie massique de fusion Un transfert thermique peut également entraîner le changement d état physique d un corps. Lorsque l on introduit des glaçons dans une eau tiède, les glaçons fondent car ils reçoivent de l énergie notée E fusion par transfert thermique (fournie par l eau tiède). Cette énergie est proportionnelle à l énergie massique de fusion (appelée encore chaleur latente massique de fusion) notée L fusion : E fusion = m glace L fusion avec m, masse du corps qui change d état (en kg) L, chaleur massique de changement d état (en J.kg -1 ) Dans un calorimètre, thermiquement isolé, contenant une masse m eau d eau liquide tiède à la température i, on introduit une masse m glace de glaçons à la température fusion = 0 C. On laisse évoluer le mélange jusqu à ce que sa température s équilibre à la valeur éq. Q7 : Au cours de cette expérience, indiquez les échanges thermiques notés E Th 1, E Th2, E Th3 et E Th 4 qui auront lieu en détaillant les variations d énergie ANA 1 /2

6 Suivre le protocole suivant : - Peser environ une masse m 1 = 300 g d eau froide et la verser dans le calorimètre, Masse exacte d eau m 1 = - Relever la température précise 1 de l eau dans le calorimètre au bout de quelques minutes : Température de l eau 1 = Remarque 1 : On considèrera que la température initiale du calorimètre est égale à celle de l eau introduite : Température du calorimètre c = 1 = - Peser rapidement des glaçons (minimum 40 g) et les introduire dans le calorimètre. On considèrera que les glaçons sont à la température de fusion de l eau : Température des glaçons 2 = Masse des glaçons m 2 = Remarque 2 : Au cours de la fusion d un corps pur (ici la glace), la température reste constante (ici 0 C). - Agiter doucement le mélange eau + glace. Au bout de quelques minutes, relever la température finale f du système. (C est la température d équilibre atteint par le mélange. Température finale f = DOCUMENT 8: États physique de l eau ETAT SOLIDE ETAT LIQUIDE ETAT GAZEUX Q8: Du point de vue microscopique, à quoi sert l énergie qu il faut apporter aux glaçons pour les faire fondre?

7 Q9 : Calculer les variations d énergies E Th 1, E Th2 et E Th 4 des différents corps : COM 2 /3 Q10 : Le calorimètre étant toujours isolé, établir une relation entre E Th 1, E Th2, E Th3 et E Th 4. En déduire la valeur de l énergie échangée entre les glaçons et les autres constituants du système. Est-ce de l énergie cédée ou reçue par les glaçons? COM 2 /2 exp

8 Q11: En déduire la chaleur latente massique de fusion expérimentale notée L fus de l eau en J. Kg -1 REA 7 /1 Q12: Calculer l écart relatif avec la valeur théorique (L fus = 330 x 10 3 J.kg -1 ) sachant que l écart relatif en % est donné par la relation : Thé Théo L Fusion Exp - L Fusion 100 Théo L Fusion REA 7 /1 Q13: Quelles peuvent être les sources d écarts possibles : VAL 2 /1

9 Nom, prénom :.. Compétences travaillées lors de la séance expérimentale n 7: Mesure d une énergie de changement d état Compétences Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10 App : S approprier l information Extraire des informations utiles, adopter une attitude critique vis à vis de l information, questionner, identifier un problème, reformuler, identifier les ** risques Réa : Réaliser (Faire) Suivre un protocole donné ** ** Effectuer un relevé de mesure ** ** Réaliser un montage avec le matériel à disposition Réaliser ou compléter un schéma. ** Effectuer un calcul ** ** ** Réaliser un graphique. Ana : Analyser Emettre une hypothèse Identifier les paramètres qui influencent un phénomène, choisir les grandeurs à ** mesurer Elaborer un protocole ** Proposer, décrire un modèle Val : Valider, Critiquer Confronter un modèle à des résultats expérimentaux : vérifier la cohérence des résultats obtenus avec ceux attendus ** ** Interpréter les résultats ** ** Estimer l incertitude d une mesure ** ** Com : Communiquer Rendre compte à l écrit ou à l oral (de manière synthétique et structurée, en utilisant un vocabulaire adapté et une langue correcte) Exprimer un résultat (grandeur-unitéchiffres significatifs) ** ** ** ** Auto : Etre Autonome, Faire preuve d initiative, Savoir-Etre Travailler efficacement seul ou en équipe (en étant autonome, en respectant les règles de vie de classe et de sécurité) Soigner sa production ** ** acquis * en cours d acquisition ** non acquis