TP 2 : ateliers de thermodynamique

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1 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 Le tube en U remplie 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. l A A h B B Figure 1 Comment varie la pression avec la profondeur? Lorsque la sonde ne plonge pas dans le récipient, les points A et B sont à la même hauteur (h = 0). Lorsque l on descend la sonde dans l eau de l cm, les positions des points A et B deviennent A et B. 1. Expliquer brièvement pourquoi lorsque la sonde est hors de l eau, A et B sont à la même hauteur. 2. Donner différentes profondeurs l à la sonde et relever les valeurs de h. Faire un tableau. 3. Que devrait-on obtenir? Qu obtient-on? Conclure. 4. Avec un peu d imagination, à quoi pourrait servir ce dispositif? 2 Isotherme et loi des gaz parfaits On utilise un dispositif comprenant une grosse seringue reliée à un pressiomètre via un tube souple transparent. On note V le volume d air à l intérieur de la seringue, V 0, le volume d air à l intérieur du tube transparent et V T le volume d air total. Le volume V 0 est inconnu mais constant. On mesurera le température T avec un thermomètre de la salle, la pression P est donnée par le pressiomètre. Le volume V se mesure à la règle, connaissant la section du piston de la seringue. 1. Faire un schéma du dispositif expérimental en faisant apparaitre les différents volumes. 9

2 2. Mesurer différentes valeurs du couple (P,V ), remplir un tableau de mesures. 3. Ajouter à ce tableau une ligne faisant apparaître la grandeur 1 P. 4. Tracer sous Régressi la courbe V = f( 1 P ). 5. Conclure en considérant que la température et la quantité de matière sont constantes. 6. Déduire d une modélisation du graphique V = f( 1 P ) le volume V 0 de l air contenu dans le tuyau transparent ainsi que le nombre de moles constituant V T. Noter la température ambiante. 7. Imprimer le graphique correctement annoté. 3 Isochore et loi des gaz parfaits On dispose d un ballon en verre muni d un bouchon et d une casserole d eau posée sur une plaque électrique. Le ballon est maintenu par un pied. Ce ballon contient de l air, il est fermé mais on peut y mesurer la température T et la pression P. 1. Faire varier la température en chauffant plus ou moins et mesurer différents couples de valeurs (T,P ). Remplir un tableau de mesures. 2. Ajouter une ligne au tableau pour faire apparaître les rapports P T. 3. Conclure. 4 Utilisation de la 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. 4.2 Pression de vaporisation de l eau Cette expérience permet de montrer l influence de la pression sur la température d ébullition de l eau. Mettre de l eau "chaude" (entre 70 C et 95 C) 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 P. T 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 195 C qui est la température de vaporisation du diazote. Précautions : port de gants et de lunettes. 10

3 5.1 Effet du froid sur les gaz : 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. 5.2 Contact entre de l azote liquide et de l eau liquide 1. Remplir un petit bécher 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: // www. moteurstirling. com Le moteur de Stirling permet la transformation d énergie thermique en énergie mécanique. 11

4 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 Figure 2 Maquette pédagogique d un moteur de Stirling 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 3 Photo de la maquette du moteur de Stirling Cycle de transformations P P 2 3 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. P 1 Chauffage 2 détente Compression V 1 V 2 4 Refroidissement 1 V Figure 4 Diagramme de Clapeyron du moteur de Stirling 12

5 Le rendement est défini par : r = travail fourni chaleur consommée (1) 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 On veut utiliser l énergie mécanique donnée par le moteur : détendre le ressort du capteur de mouvement (ou l enlever), 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. 13

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