Fascicule de travaux pratiques de thermodynamique

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1 Ministère de l'enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Mouloud Mammeri de Tizi Ouzou Faculté des sciences Département de chimie Fascicule de travaux pratiques de thermodynamique Destiné aux étudiants de première année LMD ST/SM Réalisé par Mme H.IBOUKHOULEF

2 Consignes importantes concernant les travaux pratiques de chimie 1. Il est rappelé aux étudiants qu aucune dispense de TP n est accordée et qu ils doivent se présenter régulièrement à leurs séances de TP. 2. Les étudiants ayant une absence justifiée doivent présenter leurs justificatifs dans un délai maximum de 48h auprès de leurs enseignants de TP. 3. Les étudiants doivent respecter rigoureusement leurs affectations pour préserver le bon déroulement des TP. 4. Les étudiants doivent remettre un compte rendu à la fin de chaque séance de TP. 5. Le port de blouse est obligatoire en salle de TP. 6. Il faut prendre connaissance des données théoriques et respecter les démarches établies pour les manipulations. 7. Tous les produits chimiques sont dangereux, le danger qu ils représentent peut être dû à leur caractère toxique, corrosif ou inflammable. Quel que soit le produit utilisé, il faut opérer avec un maximum de précautions. 8. Il est interdit de boire, de manger, de fumer et d utiliser le téléphone portable dans un laboratoire. 9. Avant de quitter le laboratoire, il est impératif de : Laver toute la verrerie utilisée et de la ranger. Nettoyer la paillasse. Se laver les mains.

3 TP Calorimétrie Objectifs du TP: Mesure de la capacité calorifique d un calorimètre. Mesure de la chaleur massique d un métal par la méthode des mélanges. Mesure de la chaleur latente de fusion de la glace. I- DÉFINITIONS ET CONCEPTS DE BASE 1- Système : Un système est un ensemble de corps délimités par une frontiére réelle ou fictive à travers laquelle il s effectue des échanges d énergie (travail et chaleur) et de matière avec le reste de l univers (milieu extérieur noté ME). Le système peut être isolé (un thermos), fermé (un refrigérateur en fonctionnement) ou ouvert (le corps humain). Un système, avant de subir une transformation, se trouve dans un état caractérisé par plusieurs grandeurs macroscopiques. En thermodynamique les variables d état utilisées sont la température (T), la pression (P) et le volume (V). 2- Température et chaleur : La température est une grandeur d état qui traduit numériquement la sensation de froid et de chaud. Pour la mesurer on utilise un thermomètre. Cette notion de température est inséparable de la notion de chaleur ; ie : Lorsqu on place deux corps ayant deux températures différentes dans un système isolé ou ne se produit pas de réaction chimique, le corps chaud va transmettre de la chaleur au corps froid jusqu à atteindre l équilibre thermique. Cependant, dans certaines transformations, il peut y avoir un transfert de chaleur sans variation de température, c est le changement d état physique du système. 3- Calorimétrie Figure 1 :Calorimètre de BERTHELOT 1

4 La calorimétrie est une partie de la thermodynamique qui a pour objectif la mesure des quantités de chaleurs échangées entre plusieurs corps. Pour cela, on utilise un calorimétre (voir figure 1). Ce dernier constitue un système thermodynamique isolé, ce qui implique qu'il n'y a pas d'échange de matière ni d'énergie (travail ou chaleur) avec le milieu extérieur. 4- Coefficients calorimétriques Capacité calorifique (ou thermique) (C) d un corps : C est la quantité de chaleur qu il faut fournir à ce corps pour élever sa température de 1degré. Son unité : J/ C ou J/K. La capacité calorifique peut être calculée autrement : Pour un corps de masse m :. c : la capacité calorifique massique de ce corps. Pour un calorimétre :. μ : valeur en eau du calorimétre (g) : C est la masse d eau fictive ayant la même capacité calorifique que le calorimétre. c eau : la capacité calorifique massique de l eau = 4.18 J.g -1 C -1 = 4180 J. Kg -1 C -1. Capacite calorifique massique (ou Chaleur spécifique massique) (c) d un corps: C est la quantité de chaleur qu il faut fournir à une unité de masse pour élever sa température de 1degré. son unité : J Kg -1 C -1 ou J g -1 C -1. Pour les corps purs à l état gazeux, il est nécessaire de distinguer un chauffage à volume constant et un chauffage à pression constante qui mettent en jeu des quantités de chaleurs différentes. On définit alors la chaleur spécifique massique à pression constante notée c p et la chaleur spécifique massique à volume constant notée c v.. à pression constante.. à volume constant. Chaleur latente de changement d état : Un corps peut se présenter, selon les conditions de température et de pression, dans trois états physiques : solide, liquide ou gazeux. Le passage d un état à un autre constitue un changement d état physique ou changement de phase. Ce passage s accompagne d un échange de chaleur sans que la température ne change, c est la chaleur latente. La chaleur latente de fusion, notée L f, est l énergie calorifique (Q f ) nécessaire à l unité de masse (m = 1Kg) pour passer d un état solide à un état liquide à pression et température constantes. Elle est donnée par la relation :. 2

5 II- DEVELOPPEMENT THEORIQUE Partie A 1- Détermination de la capacité thermique C cal d un calorimètre On place dans un calorimètre de capacité thermique C cal un corps A de masse m 1, de chaleur massique c 1 à la température T 1. On rajoute un autre corps B de masse m 2, de chaleur massique c 2 à la température T 2 (T 2 >T 1 ). Le système constitué par les corps A, B et le calorimètre évolue vers un état d équilibre thermique (T e ) sans changement d état physique. Soit Q A la chaleur reçue par le corps A (corps froid) :. Soit Q cal la chaleur reçue par le calorimètre et ses accessoires : Soit Q B la chaleur cédée par le corps B (corps chaud):. La chaleur dans le calorimètre se conserve (pas d échange d énergie avec le milieu extérieur). Lorsque l équilibre thermodynamique est atteint, la chaleur cédée par le corps chaud sera reçue par le corps froid : Détermination de la chaleur massique d un métal On place dans un calorimètre de capacité thermique C cal, dans un 1 er temps, une masse m 1 d eau, de chaleur massique c 1 à la température T 1, puis un métal de masse m 2 à la température T 2 (T 2 >T 1 ). Sachant que la température d équilibre du système est : T 1 < T e < T 2 Soit Q A + Q cal la chaleur reçue par l eau et le calorimètre :. Soit Q B la chaleur cédée par le métal :. La chaleur dans le calorimètre se conserve, à l équilibre :

6 Partie B 1- Détermination de la chaleur latente de fusion de la glace (L f ) On place dans un calorimètre de capacité thermique C cal une masse m 1 d eau, de chaleur massique c 1 à la température T 1. On rajoute une autre masse de glace m 2, de chaleur massique c 2 à la température T 2 (T 2 <0). Le système évolue vers une température finale appelée température d équilibre T e. Supposons la température d équilibre T e > 0, calculons la chaleur latente de fusion de la glace L f : Soit Q A + Q cal la chaleur cédée par l eau et le calorimètre :. Soit Q B la chaleur reçue par la glace: T f : la température de fusion de la glace (T f = 273K). La chaleur dans le calorimètre se conserve (pas d échange d énergie avec le milieu extérieur) :

7 TP2 : Lois des gaz parfaits Objectifs du TP Suivre la variation de la pression d un gaz parfait en fonction du volume à température constante. Suivre la variation du volume d un gaz parfait en fonction de la température à pression constante. Suivre la variation de la pression d un gaz parfait en fonction de la température à volume constant. Calcul des coefficients de dilatation (α), de compression (β) et de compressibilité (χ). I- Développement théorique 1- Transformation d un système: La transformation d un système, d un état d équilibre initiale 1 vers un état d équilibre final 2, s accompagne de la modification d une ou plusieurs variables d état due aux échanges d énergie avec le milieu extérieur (ME). On distingue plusieurs types de transformations : Transformation isotherme: transformation qui s effectue à température constante T 2 = T 1. Transformation isobare: transformation qui s effectue à pression constante P 2 = P 1. Transformation isochore: transformation qui s effectue à volume constant V 2 = V 1. Transformation adiabatique: transformation qui s effectue sans échange de chaleur avec ME. 2- Modèle des gaz parfaits Un gaz parfait est un gaz réel (H 2, O 2, ) pris à basse pression et le volume des molécules ainsi que leurs interactions deviennent négligeables. L équation d état des gaz parfaits est donnée par : PV= n.r.t..(1) où P: Pression du gaz (pascal, atm, cmhg); 1atm = pascal = 76 cmhg ; V: Volume occupé par le gaz (m 3, litre); n: Nombre de mole de gaz (moles) ; T: Température absolue (K); T(K) = θ( C) R: Constante des gaz parfaits = L.atm/mol K = J/mol K =1.987 cal/mol K. On définit pour l équation d état PV = n RT, les coefficients suivants : 5

8 Coefficient de dilatation volumique à pression constante α : α V V T P Coefficient de compression à volume constant β : β P P T V Coefficient de compressibilité χ : V V P T 3- Lois des gaz parfaits Le comportement des gaz parfaits obéit aux lois historiques de Boyle Mariotte (1662), de Charles (1787) et de Gay-Lussac (1802). loi de Boyle Mariotte (1662) PARTIE A : Cas isotherme A température constante, la pression et le volume sont inversement proportionnels: P.V = constante. Cette loi donnant P=f(V) se traduit graphiquement par une hyperbole (figure 1) appelée isotherme. Figure 1 PARTIE B : Cas isochore et isobare Loi de Charles (1787) A volume constant, la pression d un gaz parfait augmente avec la température : P P 1 β. θ Où P 0 : la pression du gaz à 0 C, P : la pression du gaz à θ C, β : coefficient de compression à volume constant. La représentation graphique (figure 2) de cette loi donnant P = f(θ) est une droite (appelée isochore) d ordonnée à l origine égale à P 0 et de pente égale à P 0 β. 6

9 atm p 0 β P P 0 τ C Figure 2 Loi de Gay-Lussac (1802) A pression constante, le volume occupé par une quantité de gaz parfait augmente avec la température : V V 1 α. θ Où V 0 : le volume du gaz à 0 C, V : le volume du gaz à θ C, α : coefficient de dilatation volumique à pression constante. La figure 3 donne le tracé de V = f(θ); c est une droite d ordonnée à l origine égale à V 0 et de pente égale à αv 0. (L) αv 0 V V 0 τ ( C) Figure 3 L expérience montre que pour les gaz parfaits : α = β = La relation (1) nous permet d écrire : A volume constant : dv = 0 :. = 3, C -1 dv V T dt V P TdP..(2) 7

10 dp dt V V T P V P T Donc le coefficient de compressibilité χ est donné par αv α V βp α βp II- Description de l appareil de Boyle Mariotte L appareil de Boyle Mariotte permet l étude du comportement d un gaz parfait lors de la modification de ses variables d état. La quantité d air (gaz parfait) considérée servant d objet de mesure se trouve dans un tube en verre qui est relié à un manomètre à mercure en forme de U destinée à la mesure de la pression. L ensemble de l appareillage est monté sur une tige support de 2 m de hauteur, le tube de mesure étant fixe tandis que le réservoir à mercure est monté dans une glissière qui peut être déplacée tout le long de la tige support. Ce déplacement vertical permet de faire varier la pression et le volume de la quantité d air étudiée. Les différences de hauteur du niveau de mercure dans les deux tubes de mesure peuvent être relevées au moyen d une règle de 1.3 m fixée sur le support et graduée en cm. Pour faire varier la température, le tube de mercure est entouré d une gaine dans laquelle circule de l eau. Elle est pourvue d un bouchon perforé dans lequel un thermomètre a été fixé. Lorsque l appareil est au repos, le bouchon en caoutchouc rouge accroché par la chainette au tube de mercure doit être fermé. Ce bouchon ne doit être retiré que pendant l expérience (pression extérieure = pression intérieure). Le volume est proportionnel à la hauteur de la colonne d air emprisonné dans le tube de mesure selon la relation suivante : V π h V Où d : diamètre du tube (d= 11.4 mm), V c est le volume de la partie courbée du tube, elle est peinte en jaune (V c = 1.01mL). Le volume en cm 3 est donné par : V cm 1.02 h 1 Avec h air en cm 8