SIMULATION SUR ORDINATEUR DE LA CALORIMETRIE ET L EFFET JOULE

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1 UNIVERSITE D ANTANANARIVO ECOLE NORMALE SUPERIEURE Département de Formation Initiale Scientifique C.E.R. PHYSIQUE CHIMIE Numéro d ordre : 317/PC Mémoire de fin d études pour l obtention du Certificat d Aptitude Pédagogique de l Ecole Normale Supérieure (C.A.P.E.N.) SIMULATION SUR ORDINATEUR DE LA CALORIMETRIE ET L EFFET JOULE Présenté par :RANDRIAMAHATANA AristarkoTerançyl Soutenu le : 25 Juin 2013 Membres du jury : Rapporteur : ANDRIANARIMANANA Jean Claude Omer Professeur Président du Jury :Mr Henri RASOLONDRAMANITRA Ph.D et Maître de conférences Juges :-Mr René Yves RASOANAIVO Ph.D et Maître de conférences -Mme Harinosy RATOMPOMALALA Maître de conférences Année née universitaire :

2 REMERCIEMENT La gloire est à notre Seigneur Jésus Christ. Nos très hautes considérations avec gratitude particulière sont réservées àmonsieur Henri RASOLONDRAMANITRA, qui a accepté de présider le jury de soutenance. Nous exprimons notre entière reconnaissance àmonsieur Mr René Yves RASOANAIVO et à Mme Harinosy RATOMPOMALALA qui ont accepté généreusement de faire partie des membres du jury. Nous adressons une gratitude spéciale à, Monsieur ANDRIANARIMANANA Jean Claude Omer notre rapporteur, qui a consacré ses précieux temps, malgré ses nombreuses autres occupations, dans l encadrement et la réalisation du présent outil. Nos vifs remerciements sont aussi adressés à tous les enseignants de l Ecole Normale Supérieure notamment de la CER physique chimie. Nos remerciements s adressent également à mes parents pour m avoir apporté soutien pendant toute la durée de mes études.

3 Table des matières Introduction 1 A -Première partie : REPERE THEORIQUE I. La chaleur 3 I-1. Notion de température et de la chaleur...3 I-2. La chaleur est une grandeur mesurable I-3. La chaleur est une énergie....5 I-4. Mode de transmission de la chaleur.6 I-4-1. Conduction... 7 I-4-2. Convection... 7 I-4-3.Rayonnement...8 I-5 Expression de l échange de l énergie sous forme de la chaleur 9 I-5-1. Expressions générales.9 I-5-2. Chaleur d échauffement (ou chaleur sensible) 9 I-5-3. Relation de Mayer.10 I-6. Chaleur spécifique d un corps (c) I-7. Capacité calorifique d un corps.. 11 I-8. Chaleur latente I-9. Expression de quantité de chaleur d échauffement. 11 I-9-1. Expression générale 11 I-9-2. Cas général 12 I-9-3. Cas simple...12 II. Mesure de quantité de chaleur : Calorimètre 13 II-1. Un calorimètre...13 II-3. Description d un calorimètre 14 II-4. Principe d un calorimètre..14 II-5. Méthode de mélange.15 II-6. Equation calorimétrique 15

4 III. Effet Joule...16 III-1. Puissance et énergie électrique consommées par un conducteur ohmique..16 III-1-1. Rappel de la loi d Ohm pour un conducteur ohmique 16 III-1-2. Puissance consommée par un conducteur ohmique.16 III-1-3. Energie électrique consommée par un conducteur ohmique 17 III-2. L effet Joule.17 III-3. Loi de Joule pour un conducteur ohmique..18 III-4. Vérification expérimentale de la loi traduisant l effet Joule 18 III-4-1.Matériel.18 III-4-2. Réalisation du montage 18 III-4-3. Protocole expérimental...18 III-4-4. Manipulations...19 III L intensité I étant constante, vérification de la proportionnalité de θ à la durée t. 19 III La durée t étant constante, vérification de la proportionnalité de θ à I 2.20 III-5. Application de l effet Joule 21 III-5-1. Conséquences utiles.21 III Le chauffage électrique.21 III L éclairage par incandescence.21 III Les fusibles..22 III-5-2. Conséquences néfastes.22 III Les pertes en ligne.22 III Echauffement des composants électroniques 23 B -Deuxièmes parties :OUTILS D APPRENTISSAGE 1. Présentation de l outil : Contenu de l outil.24

5 C : Dernière partie : Proposition des fiches pédagogiques pour l enseignement 1. Fiche n 1 : Cours de la calorimétrie Fiche n 2 : Travaux pratique...72 Conclusion... 77

6 Liste des figures : - Figure 1 : Evolution en équilibre thermique d un système Figure 2 :L expérience de Joule montrant l équivalence de la chaleur et l énergie 6 - Figure 3 :image des calorimètres Figure 4 : image des constituants d un calorimètre...15 Liste des graphes : - Graphe 1: Courbe montrant la variation de la température lors de l effet Joule 17 - Graphe 2: Montage pour la vérification expérimentale de la loi traduisant l effet Joule 18 Organigramme : - Organigramme : Organigramme relatif à la structure de l outil...23

7 Introduction : La politique générale du gouvernement est basée sur les développements, l éducation et la formation des jeunes. Le ministère, par le biais des recherches en pédagogie cherche à améliorer le transfert de l enseignement à voir de l éducation des jeunes Malagasy. En particulier, les instituts et les écoles normales forment les enseignants pour aboutir au niveau des établissements à former et éduque les adolescents à être des citoyens responsables à l âge adulte. Chaque matière dans l enseignement peut développer des habiletés intellectuelles, des savoir-faire attendus et, selon le cas, des comportements et des valeurs morales nécessaires à la vie en société. Nous savons que la science, plus précisément, la science physique chimie est un moyen pour leur permettre de comprendre les phénomènes naturels, raison pour laquelle, nous l enseignons à Madagascar depuis la classe de sixième. Notre thème est intitulé «SIMULATION SUR ORDINATEUR DE LA CALORIMETRIE ET L EFFET JOULE». Vue le problème de laboratoire et des matériels dans les établissements, nous allons procéder à une simulation sur microordinateur les expériences. Comme nous sommes d une part quotidiennement confrontés à l effet Joule, d autres part, il figure sur le programme scolaire, notre souhait est d en faire l étude. Aussi, comme le courant électrique est un besoin de nos jours, il serait indispensable de bien le manipuler et le maitriser. L outil pédagogique que nous allons utiliser est destinés aux élèves de la classe de premières scientifiques. Nous savons que lors du passage de courant électrique dans un conducteur électrique, ce dernier s échauffe. Cet échauffement s appelle effet joule. La loi de joule qui décrit ce phénomène s énonce comme suit: L énergie calorifique Q dégagée par un conducteur électrique de résistance R traversé par un courant I pendant un temps t est donnée par la relation suivante : Q(en joule) = R.I 2. t. Nous allons montrer, grâce à l animation flash que cette énergie calorifique dépend de trois facteurs : l intensité I du courant, la résistance d un conducteur et la durée pendant laquelle circule le courant. Comme il s agit de mesurer la quantité de chaleur, il est nécessaire d étudier la calorimétrie (principe, méthode, et équation calorimétrique). Les applications de l effet joule sont utilisées dans la vie courante : plaque de cuisson, radiateur électrique, grille-pain, fer à repasser. Cette étude pourrait amener les élèves intéressés à l élaboration de nouveaux 1

8 matériels à effet joule (détermination des matériaux conducteurs électriques pour avoir un maximum d échauffement ou un minimum d échauffement). La première partie de notre travail est consacrée à l étude théorique de la chaleur, la calorimétrie, et l effet joule. La deuxième partie est destinée aux outils d apprentissage avec des évaluations, et la dernière partie est réservée à l élaboration des fiches pédagogiques. 2

9 A -Première partie : REPERE THEORIQUE Dans cette partie, on développe essentiellement les savoirs savants concernant la chaleur, la calorimétrie et l effet Joule. Elle peut être utilisée comme une source de documentation ou un support didactique. I. La chaleur[3] [6] [9] I-1. Notion de température et de chaleur La notion de la température vient dans nos sensations ; lorsqu on touche un corps, nous sentons que ce corps nous apparaît chaud, froid ou tiède. Des changements dans l état physique des corps accompagnent les modifications de ces sensations, par exemple, la glace qui fond et est portée à l ébullition. Dès l Antiquité, les anciens ont confondu les notions de la chaleur et de la température. Jusqu à nos jours, cette confusion n est pas abolie. Il est alors difficile de donner une définition exacte de la chaleur à cause de sa relation étroite avec la température. Pour différencier le corps chaud et froid, on introduit le terme «température». D après la mesure avec un thermomètre, plus un corps est chaud, plus sa température est élevée. D après notre expérience quotidienne, lorsque nous mettons en contact un corps chaud et un corps froid, le sens du toucher nous indique que le corps chaud se refroidit tandis que le corps froid s échauffe. Il y a donc une variation de température entre les deux corps. Au bout d un certain temps, on ne sent plus la variation, on dit que les corps en contact ont atteint l état d équilibre thermique ou encore, ont la même température. 3

10 Figure 1 : Evolution en équilibre thermique d un système Du point de vue physique, ce que l'on appelle "la chaleur" est en fait un échange d'énergie non accompagné de mouvement d'ensemble. Reprenons l exemple de deux corps à des températures différentes, en contact thermique. Au bout d'un certain temps ils semettent à l'équilibre thermique, ou bien à la même température. Il y a eu transfert d'énergie d'un corps à unautre, sans mouvement d'ensemble. L'énergie interne du corps le plus chaud (par exemple (1) a diminuée auprofit de l'énergie interne du corps le plus froid (2): U 1 (T) + U 2 (T)= 0. On dit qu'il y a eu transfert d'énergie sous forme de chaleur ou, de la chaleur est passée d'un corps à l'autre et on écrit Q1+ Q2 = 0. Au niveau microscopique, le concept même de chaleur disparaît. Comme le montre, par exemple, la théorie cinétique des fluides, la sensation de chaud et de froid s'interprète directement comme une manifestation de nature essentiellement mécanique, où la température correspond à l'énergie cinétique moyenne d'agitation moléculaire, et la quantité de chaleur par unité de temps au flux de transport de cette énergie d'agitation. Il faut souligner à ce point de vue que dans toutes les interprétations qui précèdent la chaleur apparaît toujours comme la manifestation d'un transport énergétique, et non comme une propriété d'état du milieu considéré. Dans le monde microscopique, si la température correspond à l'agitation des molécules, la chaleur correspond à la propagation de cette agitation, sans déplacement moyen des molécules elles-mêmes. 4

11 I-2. La chaleur est une grandeur mesurable La chaleur est une grandeur physique, mesurable par le biais de la mesure d une différence de température. L'unité adoptée pour la mesure d'une quantité de chaleur est la calorie (cal), considérée comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever un degré Celsius d un gramme d'eau pure, sous la pression atmosphérique normale. Le multiple de la calorie est le kilocalorie (kcal) qui vaut 1000 cal. Pour celle de la British Thermal Unit (B.T.U.), ou chaleur nécessaire pour élever une livre anglaise d'eau pure de 59 à 60 0 F (degrés Fahrenheit) sous la pression atmosphérique normale, 1B.T.U = 0,252 kcal. À présent, l'unité de quantité de chaleur ne figure plus parmi les unités fondamentales du système international (S.I.). À la suite de la fixation conventionnelle d'un équivalent mécanique égal à l'unité pour toutes les formes d'énergie, celles-ci sont toutes mesurées en joules (symbole J), dans le système M.K.S.A. Unité légale: le Joule (J) Unité pratique: la calorie, 1 J = cal. 1Mcal est appelée thermie 1kcal est appelée grande calorie ou millithermie I-3. La chaleur est une énergie L expérience de Joule ci-après montre que la chaleur est une énergie. 5

12 Figure 2 :L expérience de Joule montrant l équivalence de la chaleur et l énergie. Cette expérience met en évidence l'équivalence mécanique de la chaleur dont les résultats ont été publiés en Dans son expérience, Joule provoque l'échauffement de l'eau contenue dans un calorimètre en entraînant des palettes par la chute d'une masse connue. Dans le calorimètre (récipient bien isolé thermiquement du milieu extérieur) on introduit une masse m d'un liquide de capacité calorifique massique c. La température initiale du liquide est T 0. La masse M d'entraînement des palettes descend d'une hauteur H, elle cède l'énergie potentielle E = M.g.H. La conversion totale du travail mécanique en chaleur se traduit par l'élévation de la température du liquide de dt : M.g.H =m.c.dt I-4. Mode de transmission de la chaleur Le phénomène de transmission de chaleur est un fait courant dans la vie quotidienne. Il se classe en trois catégories : Transmission de chaleur par conduction. Transmission de chaleur par convection. Transmission de chaleur par rayonnement. 6

13 I-4-1. Conduction Le phénomène de la conduction thermique existe dans tous les corps : solides, liquides ou gaz. Il se produit lorsqu il y a inhomogénéité ou non uniformité de température dans le corps. La transmission de l énergie thermique (chaleur) va de la zone ayant une température élevée vers la zone ayant une température inférieure et se traduit par une élévation de température de proche en proche. Cela correspond à un accroissement de l amplitude de vibration du réseau cristallin dans les solides et à une transmission de l énergie cinétique due aux chocs des molécules dans les fluides : gaz ou liquides. Loi de conduction Dans tous le cas, la conduction fait passer la chaleur des parties à températures élevées vers les parties à température basses. Au niveau macroscopique, la quantité de la chaleur qui s écoule à travers une matière par unité de surface et par unité de temps est proportionnelle à la différence de température et inversement proportionnelle à son épaisseur. Ce phénomène est traduit par la relation : Q = - λ. où T est la différence de température, l est l épaisseur de la matière considérées, λ est le coefficient de proportionnalité : c est un facteur caractéristique de la matière (unité :J.m.K -1 ). Le signe négatif placé avant l expression a été introduit pour rendre compte que Q est une quantité positive et que la chaleur s écoule de la zone chaude vers la zone plus froide. Le coefficient λ est appelé coefficient de conductivité thermique. Il est caractéristique de chaque corps : λ est élevé pour les métaux et généralement faible pour les non métaux. Les corps ayant de coefficient de conductivité élevé sont de bons conducteurs de chaleur ; ceux dont le coefficient est faible conduisent très peu la chaleur, on dit que ce sont des isolants. I-4-2. Convection La convection est le mode de transmission de la chaleur avec déplacement de matière. Ce mode de transmission de chaleur existe au sein des milieux fluides ou quand un fluide circule autour d un solide. Par exemple : le sèche-cheveux. L étude du transfert de chaleur par convection permet de déterminer les échanges de chaleur se produisant entre un fluide et une paroi. 7

14 La quantité de chaleur échangée par unité de temps dépend de plusieurs paramètres : - la différence de température entre la paroi et le fluide ; - la vitesse du fluide ; - la capacité thermique massique du fluide ; - la surface d'échange ; - l'état de surface du solide ; - sa dimension etc... Selon le mécanisme qui génère le mouvement du fluide, on distingue : -la convection naturelle -la convection forcée La convection naturelle ou libre : Le fluide est mis en mouvement sous le seul effet : des différences de masses volumiques résultant des différences de températures sur les frontières ; d un champ de forces extérieures (la pesanteur). La convection forcée : Le mouvement du fluide est induit par une cause indépendante des différences de température (pompe, ventilateur...). I-4-3. Rayonnement Les mécanismes de transfert dépendent fortement de la température. En conduction et convection, cette dépendance met en jeu principalement les différences de température ; par contre, le rayonnement, l importance des échanges est fortement liée au niveau de la température. Suivant ce niveau, la qualité du rayonnement va être très différente. Dans le domaine du bâtiment deux types de rayonnement sont rencontrés : le rayonnement infrarouge (rayonnement des parois invisible ) et le rayonnement visible (rayonnement solaire ). 8

15 A l heure actuelle, la nature du rayonnement et son mécanisme de transport ne sont pas entièrement établis. Deux théories : la théorie de quanta et la théorie ondulatoire s opposent, se complètent et permettent d expliquer les phénomènes observés. On sait que le rayonnement se propage dans l espace libre à la vitesse de la lumière ; cette propagation se faisant naturellement. La nature du rayonnement et sa fréquence dépendent de la source et l on définit la longueur d onde du rayonnement λcomme étant le rapport de la vitesse de propagation c (vitesse de la lumière) sur sa fréquence. Tous les corps émettent de rayonnement, cependant nous ne pouvons ressentir que de rayonnement de longueur d onde de 0,1 à 100µ. Dans ce domaine, que nous appellerons rayonnement thermique, le rayonnement est susceptible de chauffer un corps. I-5 Expression de l échange de l énergie sous forme de la chaleur I-5-1. Expressions générales Pour une transformation infinitésimale réversible T, P, V T + dt, P + dp, V+ dv T : Température P : Pression V : Volume δq = C v dt + ldv = C p dt + hdp = λdp + µdv où l, h, λ, et µ sont appelé coefficients thermiques. I-5-2. Chaleur d échauffement (ou chaleur sensible) Variation de température à pression constante : hdp = 0 A volume constante :ldv = 0 Pour exprimer des quantités de chaleur on peut utiliser la masse m ou le nombre de moles n et la température Kelvin K : à P constante: δqp = mc p (T)dT = ncp(t)dt à V constant: δqv = mc v (T)dT = ncv(t)dt 9

16 I-5-3. Relation de Mayer Φ P et Φ V : capacité calorifique ou thermique à pression constante et à volume constant c p et c v : chaleur massique à pression constante et à volume constant C P et C V : chaleur molaire à pression constante et à volume constant Pour la capacité calorifique ou thermique à pression constante Φ P = m.c p = n.c p où m est la masse. Or m = n.m où n le nombre de mole et M la masse molaire. On a: n.m.c p = n.c p Alors: C p = M.c p Pour la capacité calorifique ou thermique à volume constant Φ v = m.c v = n.c v or m = n.m alors, n.m.c v = n.c v Donc: C v = M.c v Il existe des relations entre les coefficients thermiques : I-6. Chaleur spécifique d un corps (c) La chaleur massique (symbole c ou s), qu'il convient d'appeler capacité thermique massique, est déterminée par la quantité d'énergie calorifique à apporter par échange thermique pour élever d'un degré Kelvin la température d un kilogramme de ce corps. On a δ Unité : J kg-1 K -1 10

17 I-7. Capacité calorifique d un corps C est la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 C la température de corps. Soit Φlacapacité calorifique d un corps, on a : Φ = mc = n C Unité : J C où m est la masse et n le nombre de mol. I-8. Chaleur latente La chaleur latente est l énergie calorifique nécessaire pour un changement d état (solidification, fusion, ébullition ) sans modifier sa température. Elle est notée L. Elle correspond à des modifications des liaisons entre les molécules. Lorsqu elle est exprimée pour 1 Kg de matière, c est la chaleur latente massique, lorsqu elle est pour 1 mole, c est la chaleur latente molaire. Q = m.l avec L en J/kg Q = n.l avec L en mol/kg Exemple : chaleur latente de fusion de l eau L fus = 334 KJ/Kg. Pour une transformation infinitésimale, δq = L.dm Pour qu il y ait fusion de la glace, il faut qu elle reçoive de la chaleur d où le signe positif. La chaleur latente de la solidification a la même valeur numérique mais avec un signe négatif. I-9. Expression de quantité de chaleur d échauffement I-9-1. Expression générale Solides et liquides : c(t) ou c(θ), C(T) ou C(θ) Q= θ = θ θ θ θ = θ θ θ Avec mc = n C où C = Mc (m: masse, n : nombre de mol, M : masse molaire) c(t) ou c(θ) est la chaleur massique en fonction de température etc(t) ou C(θ) est la chaleur molaire en fonction de température 11

18 I-9-2. Cas général Les chaleurs spécifiques sont fonction de la température. c (T) = a + b T + ct 2 C(T) = Ma + MbT + McT 2 Q = T 2 ) dt Donc : Q = ( ) +c ( )} I-9-3. Cas simple Dans ce cas, c peut être considéré comme constant. Par exemple, pour l eau liquide, on prend en général, c = 1cal/g.K Q = m.c(t 2 -T 1 ) =m.c Τ 12

19 ΙΙ. Mesure de quantité de chaleur : calorimétrie. [1] [3] [4] [5] II-1. Un calorimètre Le calorimètre est un appareil destiné à mesurer les échanges de chaleur (du latin calor signifiant chaleur). Cet échange peut se produire entre plusieurs corps, mettant en jeu des changements ou des réactions chimiques. Le calorimètre constitue un systèmethermodynamique isolé, ce qui implique qu il n y a pas d échange de matière et d énergie (travail ou chaleur) avec le milieu extérieur. Néanmoins, cela ne signifie pas qu il n y a pas des transferts de chaleur entre les différentes parties de l ensemble calorimétrique (accessoires et paroi du calorimètre). Le premier calorimètre date de 1780, fabriqué par Lavoisier et par Laplace dans leur Mémoire sur la chaleur. Le premier microcalorimètre est beaucoup plus récent et remonte aux travaux de Tian en Indépendamment de ses multiples interventions dans le cadre de la thermodynamique, la calorimétrie possède ses problèmes propres, relatifs, par exemple, à la mesure des chaleurs spécifiques en phase gazeuse, liquide ou solide, des chaleurs de réaction, ou encore des énergies intramoléculaires. Figure 3 : image des calorimètres. 13

20 II-3. Description d un calorimètre Un calorimètre comprend : Un vase intérieur en aluminium brillanté, Un vase extérieur en aluminium pouvant contenir le vase intérieur, Une collerette en plastique. (il peut reposer sur le rebord du vase extérieur de façon à ménager un espace entre les deux vases). Un couvercle transparent avec des ouvertures pour le thermomètre ou la sonde de température et l agitateur, il comporte aussi un opercule pour introduire les corps dans le calorimètre. Figure 4 : image des constituants d un calorimètre. II-4. Principe d un calorimètre Il s agit d une enceinte S dans laquelle deux corps, l un, noté A, qui constitue le système à étudier et l autre, noté B, aux propriétés connues, appelé le corps calorimétrique, échangent de l énergie entre eux. Quand A échange de la chaleur avec B, et rien que de la chaleur, la quantité de chaleur donnée par A est égale à la quantité de chaleur gagnée par B ou vice versa. Alors : Q 1 + Q 2 = 0 14

21 II-5. Méthode de mélange Principe : La quantité de chaleur à mesurer est libérée (ou absorbée) au sein d une masse liquide, de l eau en général, dont on connait la capacité calorifique. Si la température du calorimètre varie de Τ 1 de à Τ 2, la quantité de chaleur reçue (ou perdue) par le calorimètre est : Q = (K + C) (Τ 2 - Τ 1 ) où K est la capacité calorifique du vase calorimétrique et des accessoires (agitateur, thermomètres, ) K =Σm i c i et C est la capacité calorifique du liquide C = m l c l. K est déterminé par une expérience préliminaire ou par pesées. II-6. Equation calorimétrique Un calorimètre de capacité thermique C contient un corps de masse m, de capacité thermique massique c, à la température Τ 0. On introduit dans le calorimètre un corps de masse m, de capacité thermique massique c, à la température Τ. Il s établit donc, dans le calorimètre, un équilibre thermique caractérisé par la température finale Τ F. L équation calorimétrique est de la forme : (m.c + C)(T F T 0 ) + m.c (T F T ) = 0 15

22 III. L EFFET JOULE [2] [7] Le physicien anglais James Joule ( ) établit en 1841 la loi qui porte son nom ; celle-ci lie la puissance cédée sous forme de chaleur à la résistance d'un conducteur électrique parcouru par un courant électrique. L'effet Joule est un effet thermique qui se produit lors du passage du courant électrique dans un conducteur. Il se manifeste par une augmentation de l'énergie interne du conducteur et généralement de sa température. III-1. Puissance et énergie électrique consommées par un conducteur ohmique. III-1-1. Rappel de la loi d Ohm pour un conducteur ohmique. A température constante, la tension U aux bornes d un conducteur ohmique est proportionnelle à l intensité I du courant qui le traverse. U=R.I Dans le système international d unités, I s exprime en ampères (A), U en volts (V), et R qui est appelé résistance du conducteur ohmique, en Ohms (Ω). III-1-2. Puissance consommée par un conducteur ohmique. Pour tout récepteur en courant continu, la puissance électrique consommée est calculée à partir de la relation P= U.I Pour un conducteur ohmique, U=R.I et de ce fait P= R.I 2 Ou encore, comme I = on a, P= Dans le seul cas du conducteur ohmique, la puissance électrique consommée s exprime par les relations : P = R.I 2 = 16

23 P s exprimant en watts (W) dans le système international. III-1-3. Energie électrique consommée par un conducteur ohmique Un conducteur ohmique recevant une puissance électrique constante P pendant la durée consomme une énergie électrique : E él = R.I 2. Dans le système international, s exprime en seconde (s) et E él en joules (J). III-2. L effet Joule Tout conducteur ohmique parcouru par un courant s échauffe. La température s élève d abord, pendant un certain temps, de la valeur initiale Ti jusqu à une température finale, Tf dite de fonctionnement A la température Tf, le conducteur ohmique est en état stationnaire correspondant au régime permanent. Graphe 1: Courbe montrant la variation de la température lors de l effet Joule. Toute l énergie électrique alors reçue par le conducteur ohmique est entièrement évacuée à l extérieure de celui-ci sous forme de chaleur et de rayonnement. D une façon générale : «On appelle effet Joule, la conversion, dans un conducteur, de tout ou partie de l énergie électrique qu il reçoit en chaleur et en énergie de rayonnement (lumière, infrarouge)». 17

24 III-3. Loi de Joule pour un conducteur ohmique. La puissance électrique transférée par effet Joule par un conducteur ohmique en régime permanent est égale au produit de sa résistance par le carré de l intensité du courant qui le traverse. P = R.I 2 III-4. Vérification expérimentale de la loi traduisant l effet Joule. III-4-1.Matériel On utilise un circuit électrique comprenant, en série un générateur de tension continue 24 Volts, un ampèremètre, un interrupteur (K) et un thermoplongeur immergé dans une vase calorimétrique. La température au sein du calorimètre sera relevée par une sonde reliée à un thermomètre électronique. III-4-2. Réalisation du montage Graphe 2: Montage pour la vérification expérimentale de la loi traduisant l effet Joule. III-4-3. Protocole expérimental. Introduire 100 ml d eau (volume mesure à l aide d une éprouvette graduée) dans le calorimètre. L énergie électrique consommée par le thermoplongeur pendant une durée t, donnée par la relation : E é1 = U.I.t 18

25 R étant la résistance du thermoplongeur, quasi-constante dans le cadre ce T.P En régime stationnaire, cette énergie électrique est convertie entièrement en chaleur qui est transférée à l eau et au vase en aluminium ainsi qu à ses accessoires (agitateur, sonde thermique). L utilisation d un calorimètre permet de limiter les pertes de chaleur vers le milieu extérieur. La chaleur E J reçue par l eau et par le vase en aluminium et ses accessoires provoque une augmentation de température θ de l ensemble. Il existe entre E J et θ une relation que l on admettra : La transformation intégrale de l énergie électrique en chaleur dans le thermoplongeur nous permet d écrire, d après la loi de joule, Q = C. θ = R.I 2. t Soit, θ = R et C étant considérés comme constantes au cours des expériences à venir, la constatation de la proportionnalité de θà.i 2 et à t permettra de vérifier la loi de joule pour les paramètres I et t III-4-4. Manipulations III L intensité I étant constante, vérification de la proportionnalité de θ à la durée t Régler au préalable la tension d alimentation thermoplongeur à sa valeur nominale 24V. Circuit ouvert, agiter consciencieusement le contenu du vase calorimétrique pour homogénéiser la température. Fermer le circuit, et, tout en continuant à agiter, relever la température du contenu du calorimètre toutes les 30 secondes pendant 5 minutes, puis couper le courant. Surtout ne pas oublier de relever la température à la date t = 0, choisie comme origine des temps. Les valeurs seront consignées dans le tableau ci-après (à reproduire) Tableau des résultats t(s) θ( C) θ( C) Le calculde θse fait ainsi : θ = θ t -θ 0 Par exemple : à 30s, θ = θ(à 30s) - θ(à 0s). 19

26 à 60s, θ = θ(à 60s) - θ(à 0s). D où l importance du relevé initial de température θ 0. Construire le graphe : θ = f( t) A partir de l observation du graphe, on peut dire que la variation de la température θ est proportionnelle à t θ à I 2 III La durée t étant constante, vérification de la proportionnalité de Il y a cinq (5) expériences à réaliser. Chacune durera 5 minutes, et il faudra changer les 100mL d eau que contient le calorimètre à chaque fois : Régler la tension d alimentation U du thermoplongeur en fonction de l expérience réalisée (soit 10V, 15V, 20V, 24V), interrupteur (K) fermé. Noter la valeur I de l intensité du courant qui circule dans le circuit. Couper la circulation du courant en ouvrant l interrupteur (K). Agiter soigneusement, attendre que la température se stabilise. Cette valeur de la température stabilisée sera appelée température initiale et notée θ i ( C). Fermer alors le circuit et déclencher simultanémentle chronomètre, pour une durée cinq minutes. Agiter en cours d expérience. Quand les cinq minutes sont écoulées, ouvrir l interrupteur (K), et après agitation et stabilisation de la température, relever cette dernière qui sera notée θ f ( C). Tableau des résultats U(V1) I(A) I 2 (A 2 ) θ i ( C) θ f. ( C) θ = θ f -θ i ( C) Construire le graphe : θ = f(i 2 ) A partir de l observation du graphe, on peut dire que θ est proportionnel à I 2. 20

27 III-5. Application de l effet Joule III-5-1. Conséquences utiles III Le chauffage électrique. Il est utilisé dans la vie quotidienne mais aussi dans l industrie. Les convecteurs, les radiateurs électriques, chauffe-eau électrique, fours électrique, chauffe-plats, cafetières électrique, fers à repasser... comportent des résistances en alliage inoxydable. Les fours électriques industriels sont employés quand la température doit-être réglée avec précision. Les températures atteintes varient quelques dizaines de degré et 2000 C, ou plus. Les domaines d application du chauffage par résistance sont nombreux : fusion des métaux, et maintien en température de résines, paraffines, colles, cuisson du verre, de la céramique, séchage du bois, du tabac, de peintures, de vernis et de produits pharmaceutiques, cuisson de produits alimentaires, durcissement accéléré du béton, etc. Ce mode de chauffage est fondamentalement différent de celui mis en œuvre dans une micro-onde. Ce dernier utilise une onde électromagnétique de haute fréquence (environ 2,5GHz) qui met en vibration les molécules d eau présente dans les aliments. Ces vibrations provoquent l échauffement attendu. III L éclairage par incandescence La première lampe à incandescence fut inventée en 1879 par l Américain Thomas EDISON. Son filament, un fil de bambou calciné, était scellé dans une ampoule en verre vidée d air. Elle fonctionna 45 heures. Vers 1906, on utilise le tungstène pour fabriquer les filaments en remplacement du carbone. En 1913, du diazote fut introduit dans l ampoule pour limiter le phénomène de la sublimation du tungstène. A partir de 1935, les gaz rares argon et krypton remplacèrent le diazote. 21

28 Dans les lampes à incandescence actuelles, le filament est porté a une température variant de 2500 C à 2700 C et sa durée de vie est de l ordre de 1000heures. Une lampe consommant une puissance électrique de 100 Watts restitue 70 W en puissance rayonnée dont seulement 5W dans le domaine de radiation visible, le reste étant composé de radiations infrarouges. Dans la lampe à halogène, apparue vers 1960, on introduit dans les ampoules, en plus de gaz rares, quelques centaines de milligrammes de diiode ou de dibrome par centimètre cube. Ces halogènes permettent la régénération du filament ce qui permet de porter sa température à 3200 C (le tungstène fond à 3410 C). A cette température, l éclairage fourni est plus blanc et vu sa conception, la durée de vie de l ampoule atteint 2000 heures. III Les fusibles. Ce sont généralement des fils en alliage plomb-étain, des fils d argent ou des cartouches cylindriques céramiques. Ces fusibles fondent quand l intensité dépasse la valeur tolérée, en cas du court-circuit par exemple. Il y a alors ouverture du circuit et celui-ci se trouve protégé. III-5-2. Conséquences néfastes. III Les pertes en ligne Il y a perte d énergie par effet Joule dans les lignes de transport de l énergie électrique. Pour réduire ces pertes, il faut que le courant transporté ait une faible intensité. En conséquence, le transport se fait sous haute tensions : 63kV et 90kV, ou sous très hautes tensions : 150 kv, 225 kv et 400 kv. III Echauffement des composants électroniques. Cet échauffement pouvant les détériorer, un dispositif de refroidissement doit-être prévu : ventilation, dissipateur d énergie pour les composants électroniques, 22

29 B -Deuxièmes parties :OUTILS D APPRENTISSAGE Cette deuxième partie est consacrée à la présentation du didacticiel que nous avons élaboré et surtout à la mise en œuvre des savoirs à enseigner à travers des séquences d enseignement/ apprentissage que nous proposons aux apprenant(e)s. B-1. Présentation de l outil : ACCUEIL CALORIMETRIE EFFET JOULE LISTE DES ANIMATIONS ET VIDEO Organigramme : Organigramme relatif à la structure de l outil 23

30 Bouton symbolique : Suivant : Précédent : Retour au sommaire : B-2. Contenu de l outil. Dans la page d accueil, on a trois chemins à suivre : «CALORIMETRIE», «EFFET JOULE», «LISTE DES ANIMATIONS». 24

31 En cliquant sur le bouton «CALORIMETRIE», on obtient la page suivante : On peut cliquer sur les boutons à gauche pour afficher la page précédente. Nous passons aux principes de la calorimétrie en cliquant sur le bouton suivant. 25

32 Cliquer le bouton suivant pour entrer à la page suivante : rappel d un système thermodynamique. Cliquer le bouton suivant pour voir la suite de rappel : Energie d un système. 26

33 Cliquer le bouton suivant pour voir la suite de rappel : échange de chaleur entre deux système et équilibre thermique. Cliquer le bouton suivant pour passer de la définition au principe de base de la calorimétrie. 27

34 Cliquer le bouton suivant pour afficher la page : Enoncé des principes de la calorimétrie. 28

35 Cliquer le bouton suivant pour passer à l évaluation. Nous entrons à la page «chaleur massique d un corps» en cliquant sur le bouton suivant. Cliquer le bouton suivant pour passer à l apport de la chaleur à un système ; Variation de la température en fonction du temps. 29

36 Dans cette animation, on présente la courbe T=f(t), ou «Température en fonction du temps» Cliquer le bouton suivant pour voir la suite : Apport de chaleur à un système ; Influence de la quantité d eau. 30

37 Dans cette animation, on peut faire varier la masse d eau et on observe l augmentation de la température. Cliquer le bouton suivant pour voir la suite : Apport de chaleur à un système ; Influence de la nature d un corps. Cliquer le bouton suivant, la page suivante nous interprète ces trois expérience. 31

38 Cliquer le bouton suivant pour afficher la conclusion. Cliquer le bouton suivant pour voir la suite : définition de la chaleur massique. 32

39 Cliquer le bouton suivant pour voir la suite. Cliquer le bouton suivant pour passer à la mesure calorimétrique. 33

40 Cliquer le bouton suivant pour voir la suite : détermination de la capacité calorifique du calorimètre. Cliquer le bouton suivant pour afficher la vidéo de la mesure calorimétrique. 34

41 Cliquer le bouton suivant pour passer à la détermination de la chaleur massique d un bloc métallique. Cliquer le bouton suivant pour passer à l évaluation. 35

42 Cliquer sur le bouton réponse pour voir la bonne réponse. 36

43 Cliquer le bouton suivant pour voir la suite de l évaluation. Dans cette évaluation, on peut varier la valeur de la différence de température, la quantité de chaleur nécessaire s affiche immédiatement. Cliquer sur le bouton afficher l expérience pour afficher l expérience et le bouton courbe pour afficher les courbes. 37

44 Le bouton K permet de démarrer l animation. Cliquer le bouton interprétation pour afficher le commentaire des courbes obtenues. 38

45 On peut répondre les questions mais la bonne réponse s affiche lorsqu on clique sur le bouton afficher la bonne réponse. Cliquer le bouton suivant pour passer à la chaleur latente. Cliquer le bouton suivant pour voir la suite : Transformation physique d un corps. 39

46 Cliquer le bouton suivant pour voir la suite : Apport de la chaleur provoquant un changement d état. Cette animation montre que lors d un changement d état, la température reste constante. Le bouton consigne explique l expérience à faire. 40

47 Cliquer le bouton suivant pour voir la suite : interprétation de la courbe obtenue. Cliquer le bouton suivant pour voir la suite : définition de la chaleur latente. Cliquer le bouton suivant pour voir la suite : exemple de chaleur latente de quelques substances. 41

48 Cliquer le bouton suivant pour voir la suite : mesure de la chaleur latente de fusion. Cette animation est un modèle d expérience au laboratoire. Cliquer le bouton suivant pour voir la suite : détermination de la chaleur latente de fusion d une glace. 42

49 Cliquer le bouton suivant pour passer à l évaluation. 43

50 Dans cette évaluation, on peut taper n importe quelle valeur de la masse de la glace, la quantité de chaleur nécessaire pour fondre cette glace s affiche lorsqu on clique le bouton Valeur de Q, les apprenants essayent de répondre aux questions dans leur propre cahier. Cliquer le bouton Réponse pour voir la bonne réponse. Cliquer le bouton suivant pour passer à la chaleur de réaction. 44

51 Cliquer le bouton suivant pour voir la suite : détermination de la chaleur d une réaction acide-base. Cette animation est un modèle d expérience au laboratoire. 45

52 Cliquer le bouton suivant pour voir la suite de la détermination de la chaleur d une réaction acide-base. Cliquer le bouton suivant pour afficher l exercice d application. Cliquer le bouton suivant pour passer à l évaluation : Questions à choix multiple. 46

53 On a quatre boutons : principe de la calorimétrie, chaleur massique d un corps, chaleur latente et chaleur de la réaction. Chaque thème contient trois questions à choix multiple. Lorsqu on clique sur le bouton principe de la calorimétrie, on a la page suivante. Dans cette évaluation, on essaie de répondre les questions pendant 10secondes, et la réponse exacte s affiche après dix secondes (compte à rebours). 47

54 Cliquer le bouton suivant de l évaluation pour afficher la deuxième question. Cliquer le bouton suivant de l évaluation pour afficher la troisième question. 48

55 Lorsqu on clique sur le bouton chaleur massique d un corps, on a la page suivante. Cliquer le bouton suivant de l évaluation pour afficher la deuxième question. Cliquer le bouton suivant de l évaluation pour afficher la troisième question. 49

56 Lorsqu on clique sur le bouton Chaleur latente, on a la page suivante. Cliquer le bouton suivant de l évaluation pour afficher la deuxième question. 50

57 Cliquer le bouton suivant de l évaluation pour afficher la troisième question. 51

58 Lorsqu on clique sur le bouton Chaleur de la réaction, on a la page suivante. Cliquer le bouton suivant de l évaluation pour voir la deuxième question. Cliquer le bouton suivant de l évaluation pour afficher la dernière question. 52

59 C est la fin des questions à choix multiples, le bouton suivant nous permet d afficher l exercice d application. Cliquer le bouton suivant pour voir la suite de la correction. 53

60 C est la fin du chemin de la calorimétrie. On peut revenir à la page d accueil à l aide de deux boutons : retour au sommaire ou précédent. Lorsqu on clique sur le bouton EFFET JOULE de la page d accueil, on obtient la page suivante : objectifs à atteindre. Cliquer le bouton suivant pour voir la suite : rappel de la loi d Ohm. 54

61 Cliquer le bouton suivant pour voir l animation montrant la loi d Ohm. Le curseur du résistor permet de modifier la valeur de sa résistance R, par conséquent, I varie tel que U = R.I (ici, U = R.I = 4.5). Cliquer le bouton suivant pour passer à l effet Joule. 55

62 Cliquer le bouton suivant pour voir l animation : vérification expérimentale de la loi traduisant l effet Joule ; Vérification de la proportionnalité de la chaleur dégagée (Q) pendant la durée t 56

63 Dans cette animation, on montre la courbe Q=f( t) en remplissant le tableau de valeur. La valeur de la chaleur Q est donnée par la relation Q = (mc + C). T où m la masse d eau et c sa chaleur massique, C la capacité calorifique du calorimètre et T T la différence de température. Source de documentation : [7] Cliquer le bouton suivant pour afficher l animation montrant la vérification de la proportionnalité de la chaleur à l intensité au carré (I 2 ). 57

64 Dans cette animation, le curseur du rhéostat permet de varier la valeur de l intensité I. Cette valeur s affiche quand l interrupteur K est fermé. Chaque valeur de I correspond à une quantité de chaleur dégagée, puis on montre la courbe Q = f(i 2 ). Le thermomètre électronique sert à mesure la température de l eau dans le calorimètre. Cliquer le bouton suivant pour afficher l animation montrant la proportionnalité de la chaleur Q à la résistance R. 58

65 Dans cette animation, un curseur permet de varier la valeur de la résistance R dans le calorimètre. Chaque valeur de la résistance correspond à une quantité de chaleur dégagée, puis on montre la courbe Q = f(r). Cliquer le bouton suivant pour afficher la conclusion. 59

66 La page suivante montre l application de l effet Joule. Cliquer le bouton suivant pour voir la suite : évaluation. 60

67 Dans cette évaluation, on peut taper les valeurs de l intensité i, la résistance R et la durée t, la quantité de chaleur dégagée dans le conducteur s affiche quand on clique le bouton Chaleur Q, on essaie de répondre à la question parmi les trois réponses et la réponse exacte s affiche immédiatement, 61

68 Ou bien, quand la réponse choisie est fausse, on a la page suivante : et c est la fin du chemin de l EFFET JOULE, et on peut revenir à la page d accueil. La dernière option de la page d accueil est la liste des animations et vidéo. La page de la liste s affiche lorsqu on clique le bouton liste des animations et vidéo. 62

69 La partie vide de cette page est réservée pour l animation choisie parmi la liste. 63

70 C : Dernière partie : Proposition des fiches pédagogiques pour l enseignement de la calorimétrie 1. Fiche n 1 : Cours de la calorimétrie. Classe : 1 ère S Chapitre :CALORIMETRIE Durée : 2heures Titre : Principe de la calorimétrie Chaleur massique Chaleur latente. Salle : Date et heure : OBJECTIFS : Enoncer les principes de la calorimétrie. Connaître et définir la chaleur massique d un corps. Définir la capacité calorifique. Distinguer la capacité calorifique et la chaleur massique. Définir la chaleur latente d une transformation. PREREQUIS : Caractéristique de l état d un corps : température, masse, volume, pression. MATERIELS NECESSAIRES : Calorimètre et ses accessoires AIDE PEDAGOGIQUE : Visuelle (tableau,vidéoprojecteur) 64

71 Timing Objectifs Contenus Stratégie et évaluation 20 min D abord, on doit rappeler la dernière leçon pour l articuler à cette nouvelle leçon. On lance alors le didacticiel contenant le rappel : énergie interne d un système et modification de cette énergie par production du travail ou par apport de chaleur. Articulation Cette chaleur (absorbée ou cédé par un corps) est mesurable. Test de prérequis : Différencier la chaleur et la température d un système. Méthode : interrogative Question : Dans notre expérience quotidienne, nous sentons que l eau glacée est froide tandis que l eau bouillie est très chaude, (on demande à un apprenant de répondre à la question), quel est l appareil utilisé pour mesurer leur température? Réponse attendue : On utilise le thermomètre. Méthode : affirmative Un ensemble des corps de masse m ayant la même température forme ce qu on appelle «système». Exemple : l eau dans un verre. L état d un système est donc caractérisé par sa température, c est-à-dire, la température est un variable d état d un système. 65

72 10 min 1-Définition de la calorimétrie La calorimétrie est la partie de la thermodynamique qui a pour objet la mesure des quantités de chaleur. Elle s effectue dans des enceintes appelées calorimètre. Méthode : interrogative Question : Que différencie la température et la chaleur. Réponse attendue : La température est un variable d état tandis que la chaleur est une énergie. Méthode : affirmative On peut déterminer cette énergie par le biais de la différence de température, et cette étude de la détermination de cette énergie s appelle : calorimétrie On demande aux apprenants de prendre le contenu du cours. On montre et on décrit un calorimètre (ou bien un thermos) aux élèves, puis on explique son fonctionnement. On demande les apprenants de prendre le contenu du cours. 2-Principe de la calorimétrie Enoncer les principes de la calorimétrie Si l on place dans une enceinte (qui n échange aucune énergie avec le milieu extérieur), n corps de températures différentes, ils évoluent vers un 66

73 équilibre thermique tel que la quantité de chaleur reçue par l un est égale à la quantité de chaleur cédée par l autre, c est-à-dire : Σ Q n = Q 1 + Q 2 + Q n = 0. Cette équation est appelé «équation calorimétrique». La chaleur reçue est comptée positivement tandis que la chaleur dégagée est comptée négativement. 10 min Par exemple, considérons un système calorimétrique constitué de deux corps A et B, de température respective T A et T B tel que la température T A est supérieure à T B. Le corps A cède donc la chaleur Q A, le corps B reçoit la chaleur Q B. L équation calorimétrique de ce système s écrit : Q A +Q B = 0 Travail par groupe Question : Déterminer la chaleur reçue par le corps B si le corps A cède la chaleur Q A = -10 kj. Réponse attendue : Q B = 10 kj. Articulation Avant d entrer dans la définition de la chaleur massique, on explique l apport de la chaleur à un système. On lance le didacticiel : Chaleur massique d un corps. On met en relief que la quantité de chaleur reçue par un corps est proportionnelle à la variation de sa température, proportionnelle à sa masse et dépend de sa nature. 67

74 10 min Connaître et définir la chaleur massique d un corps. 3-Définition de la chaleur massique ou capacité thermique massique ou chaleur spécifique. La chaleur massique notée «c» est définie comme étant la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 C (ou 1K) la température de l'unité de masse d un corps. Elle est donné par la relation : Q = m.c( T) = m.c(t 2 - T 1 ) où «c» est la chaleur massique du corps, en J. kg -1 C -1 ; «T» latempératureen C ; «m» la masse du corps en Kg ; Q (en joule) est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d un corps de masse «m» de T 1 à T 2. Remarque : Connaissant la chaleur massique d un corps, on peut déterminer la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d un corps de Méthode : interrogative Question : La chaleur massique de l eau est 4180 J kg -1 C -1, que signifie cette valeur? Réponse attendue : On a besoin d une énergie calorifique égale à 4180 J pour élever 1 C la température d un Kilogramme d eau. masse «m» de T 1 à T 2. 68

75 10 min Définir la capacité thermique ou calorifique d un corps. 4-Capacité thermique d'un corps. C est la quantité C = m.c où "c" est la chaleur massique du corps et "m" sa masse. Elle s exprime en J C -1 ou J K min 5-Capacité calorifique du calorimètre C est la quantité C cal = µ.c où «c» est la chaleur massique de l eau et µla valeur en eau du calorimètre. 10 min 6-La valeur en eau du calorimètre (µ). Elle est définie par la masse d eau qui a le même comportement thermique que le calorimètre et tous ses constituants. Méthode : affirmative Le calorimètre intervient lors d un échange thermique. Méthode : interrogative Question : La valeur en eau d un calorimètre est de 50g, que signifie cette valeur? Réponse attendue : L énergie nécessaire pour élever la température du calorimètre avec ses accessoires de T 1 à T 2 est équivalente à l énergie fournie pour élever la température de 50g d eau de T 1 à T 2. Articulation Il faut souligner que l apport de 69

76 l énergie à un système n entraîne pas toujours une élévation de la température. On lance le didacticiel contenant la transformation physique d un corps (dans la chaleur latente) 10 min Définir et calculer la chaleur latente d une transformation. 7-Chaleur latente d une transformation. C est la quantité de chaleur nécessaire pour faire passer l unité de masse d un corps de l état solide (ou liquide) à l état liquide (ou gazeux). Elle est donnée par la relation : Q = m.l f ou bien Q = m.l v,où L f et L v sont respectivement la chaleur latente de fusion et chaleur latente de vaporisation. 10 min 8-Exercice d application La quantité de chaleur nécessaire pour fondre entièrement 2Kg de glace est 700 kj. Déterminer la chaleur latente de cette glace. Solution Par définition, la quantité de chaleur pour un changement d état est Q = m.l où «L» est la chaleur latente. Méthode : active Les apprenants doivent travailler sur leur brouillon, puis, on envoie un élève au tableau et on travaille ensemble pour la correction. On fait le résumé du cours puis l articuler au cours précédent. 70

77 Donc la chaleur latente de fusion de cette glace est : L f = 20 min Application numérique : L f = L f = 350 kj.kg -1 9-Mesure calorimétrique de la chaleur massique d un corps. Méthode : active Application: Préparer un protocole de la mesure calorimétrique de la chaleur massique d un corps. (application pour le prochain cours). 71