S 5 F I) Notion de température et de chaleur : 1) Agitation thermique et température absolue : a) Agitation thermique :

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1 Chapitre 2 : CHALEUR ET ENERGIE S 5 F I) Notion de température et de chaleur : 1) Agitation thermique et température absolue : a) Agitation thermique : Les molécules d un gaz (parfait) sont animées de mouvements incessants en tous sens avec des vitesses quelconques. Les trajectoires sont des segments de droites interrompus par les collisions des molécules entre elles ou avec les parois. On définit une mesure de la vitesse moyenne v m des molécules et une énergie cinétique moyenne E Cm = 1/2.m.v m2. L agitation thermique est le mouvement désordonné des molécules. La distance moyenne parcourue par une molécule entre deux chocs est le libre parcours moyen l (différent de la distance moyenne d entre molécules). Remarque : Pour l'oxygène sous la pression atmosphérique : l = cm. A la température ordinaire, la vitesse moyenne des molécules d'oxygène est v m = 450 m.s 1, on trouve qu'une molécule a : n = v m /l = chocs par seconde!!!

2 I) Notion de température et de chaleur : 1) Agitation thermique et température absolue : b) Température absolue : Dans un système de particules (atomes, molécules ou ions), on associe à l'énergie cinétique moyenne E Cm une grandeur statistique : la température thermodynamique absolue, notée T, proportionnelle à E Cm, qui s'exprime en kelvin (symbole K). Remarque : Le mouvement désordonné des molécules est décrit par une vitesse moyenne v m (à l échelle moléculaire) à laquelle on fait correspondre une température T (à l échelle macroscopique). Remarque : Pour que le mouvement des molécules soit nul, il faut que l'énergie cinétique soit nulle et la température absolue T = 0 K. En fait, le zéro absolu est une température limite que l'on ne peut pas atteindre.

3 I) Notion de température et de chaleur : 1) Agitation thermique et température absolue : c) Unité de mesure de température : La température thermodynamique absolue est mesurée à l'aide du thermomètre normal à hydrogène qui définit l'intervalle T = 1 K. Dans la pratique, on utilise une autre échelle : l'échelle Celsius. L échelle Celsius est définie par la grandeur θ telle que : T (K) = 273,15 + θ ( C) Remarque : Bien que les échelles Celsius et absolue soient différentes, 1 C = 1 K. Remarque : Seule l'échelle de température absolue a un sens physique (l'agitation thermique). L'échelle Celsius est arbitraire, (il existe d'autres échelles : Fahrenheit, Réaumur,...) : elle attribue la valeur θ = 0 C à la température de la glace fondante, et la valeur θ = 100 C à celle de l'eau bouillante. Ceci, sous la pression normale (définie par la suite).

4 I) Notion de température et de chaleur : 2) Energie interne : On considère un système formé de nombreuses particules. - On calcule l'énergie cinétique du système, par rapport à un référentiel lié à son centre d'inertie. L'énergie cinétique (désordonnée) du système est alors appelée énergie cinétique interne E C,int. - L'énergie potentielle interne du système E P,int ne dépend que de la distance entre les différentes particules qui le composent. On appelle énergie interne U d'un système de particules, la somme de son énergie cinétique interne et de son énergie potentielle interne : U = E C,int + E P,int Remarque : Dans le cas d'un gaz formé de molécules, U est composé de l'énergie cinétique de translation et de rotation des molécules et de l'énergie cinétique de vibration des atomes dans les molécules ainsi que de l'énergie potentielle d'élasticité des liaisons interatomiques et éventuellement des liaisons intermoléculaires.

5 I) Notion de température et de chaleur : 3) Chaleur : L'énergie interne d'un système peut varier lorsque ce système échange du travail W ou de la chaleur Q avec le milieu extérieur : U = W + Q La variation d'énergie interne U d'un système qui n'échange pas de travail avec le milieu extérieur W = 0, est égale à la chaleur Q échangée avec le milieu extérieur : U = Q à W = 0

6 II) Calorimétrie : 1) Présentation : Un système qui n échange pas d énergie avec l'extérieur est dit isolé. Le principe de conservation de l'énergie affirme que l'énergie d'un système isolé est constante. On considère un système formé d'eau contenue dans un récipient. Comment faire varier l énergie du système en augmentant sa température? - Chaleur : on peut chauffer l eau en plaçant le récipient sur une plaque de cuisson. - Rayonnement : on peut laisser l eau au soleil ou la placer dans un four à micro-ondes. - Travail d une force extérieure : on peut placer, dans l eau, un système de palettes fixées à l arbre d'un moteur qui tourne longtemps et vite.

7 II) Calorimétrie : 2) La chaleur : a) Lois de l équilibre thermique : - Un système est en équilibre thermique quand tous ses points sont à la même température. - Lorsque plusieurs corps sont mis en contact thermique prolongé, ils prennent la même température et sont donc en équilibre thermique. - Une enceinte adiabatique ne permet aucun échange de chaleur entre l extérieur et l intérieur de cette enceinte.

8 II) Calorimétrie : 2) La chaleur : b) Conducteurs et isolants thermiques : On considère le transfert d énergie sous forme de chaleur qui s effectue entre deux corps en contact à des températures différentes. L étude de la durée de l établissement de l équilibre thermique permet de classer les corps en bons conducteurs et en mauvais conducteurs de la chaleur ou isolants thermiques. Les meilleurs conducteurs de la chaleur sont les métaux. Les isolants sont le liège, le feutre, certaines matières plastiques poreuses. La meilleure paroi isolante est constituée par un espace vide entre deux parois de verre argentées (vase Dewar). Une enceinte adiabatique est munie de parois qui ne permettent pas les échanges de chaleur entre le système intérieur et le milieu extérieur.

9 II) Calorimétrie : 3) Capacité thermique et chaleur massique : a) Capacité thermique : Dans un vase adiabatique, chauffons de l'eau à l aide d un thermoplongeur alimenté sous une tension U, parcouru par un courant d intensité I, pendant une durée t. L'énergie électrique fournie au système est donc : W e = U.I. t L énergie électrique fournie est proportionnelle à t et elle est intégralement transformée en chaleur : W e = Q = a. t [1] Nous nous intéressons à l évolution de la température θ de l'eau pendant la durée t de chauffage. L expérience montre que θ est proportionnelle à t : θ = b. t [2] Des égalités [1] et [2], on déduit : t = Q/a = θ/b D où Q = (b/a). θ soit Q = K. θ La constante de proportionnalité K est appelée capacité thermique du système (en J.K 1 ). θ t

10 II) Calorimétrie : 3) Capacité thermique et chaleur massique : b) Signe d une quantité de chaleur : - Si une chaleur Q est fournie au système, sa température s élève : θ > 0 donc Q > 0 - Si le système cède une chaleur Q, sa température s abaisse : θ < 0 donc Q < 0

11 II) Calorimétrie : 3) Capacité thermique et chaleur massique : c) Chaleur massique : L expérience montre que la même quantité de chaleur Q fournie à des masses d eau m, 2.m, 3.m,... provoque des élévations de températures θ, θ/2, θ/3, La quantité de chaleur qu il faut fournir à une masse m d un corps pour élever sa température de θ est : Q = m.c. θ Le coefficient c, qui caractérise la matière homogène qui compose le corps chauffé, est appelé chaleur massique. L unité de chaleur massique est le J.K -1.kg -1 (ou J.C -1.kg -1 ). Remarque : La chaleur massique de l'eau est : c eau = 4,182 kj.c -1.kg -1

12 III) Mesure calorimétrique : 1) Principe : On introduit des corps à des températures initiales θ i différentes dans une enceinte adiabatique constituée par un calorimètre, c est-à-dire un vase Dewar et ses accessoires (thermomètre, agitateur ). Au bout d un certain temps, le vase calorimétrique et les corps qui s'y trouvent sont en équilibre thermique. La température finale est θ f. Le système, constitué du calorimètre et de son contenu, n échange ni travail W, ni chaleur Q avec l extérieur (nous supposons les fuites négligeables pendant la mise en équilibre thermique) : son énergie reste constante. Les différents corps, le calorimètre et ses accessoires qui sont à des températures initiales différentes θ i, échangent des chaleurs Q i entre eux pour se mettre en équilibre à la température commune finale θ f. Le calorimètre et son contenu forme un système isolé, donc : ΣQ i = 0

13 III) Mesure calorimétrique : 2) Détermination expérimentale de grandeurs calorimétriques : a) Capacité thermique du calorimètre et de ses accessoires : Dans le calorimètre, on verse une masse m 1 d'eau à la température ambiante et qui se met en équilibre thermique avec les parois du vase et les accessoires à la température θ 1. Dans un bécher placé dans une étuve, on a mis une masse m 2 d'eau portée à la température θ 2 de l'étuve. On verse rapidement l'eau du bécher à la température θ 2 dans le calorimètre en fermant le couvercle. La température de l'eau s élève et atteint une valeur d équilibre θ f. Les différentes parties du système ont échangé de l énergie thermique : - Le calorimètre et ses accessoires a échangé : Q mat = K mat. (θ f θ 1 ) - L'eau "froide" a échangé : Q 1 = m 1.c eau. (θ f θ 1 ) - L'eau "chaude" a échangé : Q 2 = m 2.c eau. (θ f θ 2 ) Le calorimètre et son contenu constituent un système isolé thermiquement : Q 1 + Q 2 + Q mat = m 1.c eau.(θ f θ 1 ) + m 2.c eau.(θ f θ 2 ) + K mat.(θ f θ 1 ) = 0 D où K mat = m 1.c eau.(θ f θ 1 ) + m 2.c eau.(θ f θ 2 ) (θ f θ 1 )

14 III) Mesure calorimétrique : 2) Détermination expérimentale de grandeurs calorimétriques : b) Chaleur massique du laiton : Dans le calorimètre et ses accessoires dont la capacité thermique K mat est connue, on verse une masse M d'eau à la température ambiante et qui se met en équilibre avec le calorimètre et les accessoires à la température θ 1. Dans une étuve, on a placé un cylindre de laiton de masse m et de chaleur massique c laiton inconnue qu'on porte à la température θ 2 de l'étuve On place alors rapidement le cylindre dans l'eau du calorimètre et on note la température de l'eau en agitant. La température de l'eau s élève et atteint une valeur d équilibre θ f. Les différentes parties du système ont échangé de l énergie thermique : - Le calorimètre et ses accessoires a échangé : Q mat = K. (θ f θ 1 ) - L'eau a échangé : Q 1 = M.c eau. (θ f θ 1 ) - Le cylindre en laiton a échangé : Q 2 = m.c laiton. (θ f θ 2 ) Le calorimètre et son contenu constituent un système isolé thermiquement : Q 1 + Q 2 + Q mat = M.c eau.(θ f θ 1 ) + m.c laiton.(θ f θ 2 ) + K mat.(θ f θ 1 ) = 0 D où c laiton = M.c eau.(θ f θ 1 ) + K mat.(θ f θ 1 ) m.(θ f θ 2 )

15 IV) Changement d état : 1) Les états de la matière : Un corps pur donné peut se présenter sous 4 états : solide, liquide, gazeux et plasma. Seuls les trois premiers états intéressent le chimiste. Nous retiendrons que dans un corps solide, les liaisons sont plus fortes qu'à l'état liquide, et ces liaisons sont quasi absentes dans le cas d'un gaz. Pour passer d'un état à un autre, il faut "apporter" ou "retirer" de l'énergie au système, pour "briser" les liaisons. A chaque type de changement d'état d'un système à pression constante correspond une variation de son énergie.

16 IV) Changement d état : 2) Chaleur latente de changement d état : a) Définition : La chaleur latente de changement d'état, molaire L, ou massique l, correspond à la quantité d énergie thermique Q qu'il fait fournir à l'unité de quantité de matière (mole), ou de masse (kg), d'un corps pur pour qu'il change d'état, cette transformation ayant lieu à température et pression constantes : Q = m.l = n.l Remarque : La chaleur latente (massique ou molaire) est définie, pour un corps pur donné, pour une température donnée de changement d'état sous une pression donnée.

17 IV) Changement d état : 2) Chaleur latente de changement d état : b) Exemples : - L eau bout à 100 C sous la pression atmosphérique de 1013 hpa. Sa chaleur latente de vaporisation massique, est la quantité d'énergie thermique qu il faut fournir pour transformer 1 kg d'eau liquide en vapeur, à la température constante de 100 C et sous la pression de 1013 hpa : l vaporisation = 2257 kj.kg -1. La chaleur latente de vaporisation molaire de l eau, est la quantité d'énergie thermique qu'on doit fournir pour transformer 1 mol d'eau liquide (M eau = 18 g) en vapeur, à la température constante de 100 C et sous la pression de 1013 hpa, soit : L vaporisation = l vaporisation.(m eau /m eau ) = 2257x(18/1000) = 40,63 kj.mol 1. - Pour faire fondre 1 mol de glace, donc transformer de l'eau solide en eau liquide, à 0 C et sous une pression 1013 hpa, il faut fournir de la chaleur : Chaleur latente molaire de fusion de glace : l fusion = + 6,03 kj.mol 1. Dans les même conditions de température et pression, pour transformer 1 mol d'eau liquide en glace, il faut "pomper" de la chaleur : Chaleur latente molaire de solidification d eau : l solidification = 6,03 kj.mol -1.

18 IV) Changement d état : 2) Chaleur latente de changement d état : c) Généralisation : D'une façon générale : Q, L ou l sont positifs pour une fusion, une vaporisation, une sublimation et négatifs pour une solidification, une liquéfaction, une condensation. De plus : L fusion = L solidification ou l fusion = l solidification L vaporisation = L liquéfaction ou l vaporisation = l liquéfaction L sublimation = L condensation solide ou l sublimation = l condensation solide