Chapitre 9 : Cohésion de la matière à l état solide TP2 : PREMIERE APPROCHE DE LA THERMODYNAMIQUE PHYSIQUE : la calorimétrie

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1 Chapitre 9 : Cohésion de la matière à l état solide TP2 : PREMIERE APPROCHE DE LA THERMODYNAMIQUE PHYSIQUE : la calorimétrie Je ne peux commencer cet énoncé sans vous citer directement les introductions des chapitres 14 et 15 d un merveilleux livre intitulé «PHYSIQUE», de Eugène Hecht aux Ed De Boeck. Ce livre est une référence en Physique pour aborder et comprendre les grands domaines de cette vaste matière!!! Je ne peux que vous encourager à le consulter à l occasion Introduction au Chapitre 14 : Propriétés thermiques de la matière «Les Chapitres 14, 15 et 16 sont consacrés à l étude de l énergie interne emmagasinée par le mouvement et l interaction des atomes d un système. Cette discipline est appelée physique thermique et elle traite en en gros, la température (Chap 14), le transfert énergie (Chap 15) et la transformation de l énergie (Chap 16). L étude commence par l introduction de la notion de température, liée à la sensation du chaud et du froid, dans le cas des corps qu on peut toucher sans se brûler. Notre perception sensorielle de la température, qui est peu fiable, correspond à un aspect plus précis du monde physique. Bien que la température soit une grandeur fondamentale comme la masse et le temps, elle est habituellement associée à la concentration d énergie thermique dans un système matériel. Ce Chapitre étudie certaines propriétés de la matière qui dépendent de la température. Le feu est au centre de notre civilisation. Hors de notre regard, des fourneaux et des réacteurs utilisent l énergie thermique, produisent de l énergie électrique, qui alimente l industrie et les appareils électriques domestiques. La plupart des voitures, trains, navires et avions sont équipés de moteurs thermiques d un type ou d un autre, qui brûlent des carburants pour générer de l énergie nécessaire à leur fonctionnement. Le premier et le deuxième Principes de la Thermodynamique traitent de l énergie et de sa transformation. Ces idées vont au-delà de cette discipline de la physique, pour être des lois de la vie elle-même et de l Univers dans son ensemble.» Introduction au Chapitre 15 : Chaleur et énergie thermique «Ce Chapitre est consacré à l étude de l énergie interne, de la chaleur et de leurs effets sur le comportement de la matière. Il pose la base pour le Chapitre 16. Cette discipline a été développée au dix-neuvième siècle, indépendamment de la théorie atomique*, ce qui constitue à la fois, une qualité et un défaut. Nous développons ici une approche intégrée qui cherche à expliquer les propriétés macroscopiques à partir de notion microscopiques. Nous essaierons de répondre à des questions telles que : Qu est-ce que la chaleur? Quelle relation entre la température et la chaleur? Qu arrive-t-il à la matière lorsqu on lui fournit ou on lui prend de l énergie? Comment l énergie thermique est-elle transférée d un endroit à un autre? Cette étude n est pas seulement intéressante pour faire la cuisine : en effet, pour tout être vivant les processus thermiques ont une importance vitale à chaque moment de sa vie. A un niveau plus grandiose, ces idées sont à la base d une compréhension plus complète du concept d énergie, donc d une compréhension plus profonde des changements qui ont lieu partout dans l Univers.» *Ceci a valu au génialissime scientifique Ludwig Boltzmann ( ) de se donner la mort en 1906 car il avait une vision atomistique (microscopique) de la chaleur son modèle fut alors réfuté de son vivant et validé seulement une dizaine d année après sa mort!! Page 1 sur 5

2 MANIPULATIONS Nous utiliserons lors de ces manipulations la méthode dite «des mélanges». Nous mettons en contact un corps chaud avec un corps froid dans une enceinte totalement calorifugée. Dans ces conditions, la totalité de la chaleur cédée par le corps chaud (Q corps chaud < 0) et intégralement transféré au corps froid et sert à chauffer le corps froid (Q corps froid > 0). I. Mesure d une capacité thermique massique : o Prélever dans un bécher une masse d eau du robinet notée : m(eau) = 100, 0 g, les introduire dans le calorimètre. o Attendre quelques minutes l équilibre thermique et relever la température initiale de l eau, notée : θ 1. o Récupérer 2 cylindres en aluminium de la bouilloire, relever la température initiale des cylindres, notée : θ 2 et les placer très rapidement dans le calorimètre. o Agiter lentement et régulièrement afin d atteindre l équilibre thermique et relever la température finale maximale atteinte, notée : θ f. o Sortir les cylindres d aluminium et les peser, notée : m(alu). II. Mesure d une chaleur latente de changement d état : o Prélever dans un bécher une masse d eau du robinet notée : m 1 (eau) = 200, 0 g, les introduire dans le calorimètre. o Attendre quelques minutes l équilibre thermique et relever la température initiale de l eau, notée : θ 1. o Récupérer 1 glaçon du cristallisoir, relever la température initiale du glaçon, notée : θ 2, l essuyer pour enlever la partie liquide, le peser, notée : m 2 (glaçon) et le placer très rapidement dans le calorimètre. o Agiter régulièrement jusqu à ce que le glaçon ait totalement fondu, attendre l équilibre thermique et relever la température minimale finale atteinte, notée : θ f. LE COIN DES EXPERTS Les calorimètres se sont jamais des enceintes parfaitement adiabatiques, on peut alors pour améliorer les mesures et calculs déterminer ce que l on nomme : «l équivalent en eau du calorimètre». C est-à-dire que le calorimètre est équivalent à une certaine masse d eau capable d échanger de l énergie avec l extérieur. PROTOCOLE : o Introduire une masse d eau froide à une température mesurée comprise entre 15 et 20 C dans le calorimètre : m 1 (eau) = 200, 0 g à la température θ 1 (en C). o Puis introduire une masse d eau chaude à une température mesurée comprise entre 40 et 60 C dans le calorimètre : m 2 (eau) = 200, 0 g à la température θ 2 (en C). o Agiter lentement et régulièrement jusqu à atteindre l équilibre thermique et relever la température, notée : θ f. CALCULS : Par un bilan thermique montrer que l équivalent en eau du calorimètre se calcule par l expression littérale suivante : μ = m(eau) [ (θ 2 θ f ) (θ f θ 1 ) 1] Page 2 sur 5

3 COMPTES-RENDUS à faire avant la séance pratique Introduction générale : A l aide des documents 1 et 2 présenter le principe des mesures de calorimétrie et le matériel utilisé (vase Dewar, utiliser les légendes suivantes : thermomètre, couvercle en liège, agitateur, vase en verre, couche de vide, fine pellicule argentée). I. Mesure d une capacité thermique massique : 1. Objectif : quelle grandeur physique vous demande-t-on de déterminer? 2. Démarche expérimentale : 2.1. Quelle hypothèse fait-on sur le matériel utilisé pour réaliser nos mesures et calculs? 2.2. Quelle conséquence cela aura-t-il sur les résultats obtenus? 2.3. Proposer une méthode expérimentale permettant d améliorer ces résultats (voir le «coin des experts»). 3. Protocole : Coller ou recopier le protocole ou faire un schéma légendé, en indiquant bien les mesures à effectuer nécessaires aux calculs. 4. Résultats des expériences : 4.1. Compléter et coller le tableau correspondant du document Ecrire le bilan thermique pour le système {eau ; aluminium}. Montrer que l expression littérale de la capacité thermique massique de l aluminium, notée : C p (aluminium) est la suivante : C p (aluminium) = m(eau) C p(eau) [θ f θ 1 ] m(alu) [θ 2 θ f ] 4.3. En vous servant de vos mesures, déterminer la valeur numérique de C p (aluminium). Comparer à la valeur tabulée suivante : C p (alu tabulée) = 0,90 kj. kg 1. K 1. Donnée : la capacité calorifique massique de l eau est de : C p (eau tabulée) = 4,186 kj. kg 1. K 1 5. Conclure : l objectif est-il atteint? II. Mesure d une chaleur latente de changement d état : 1. Objectif : quelle grandeur physique vous demande-t-on de déterminer? 2. Démarche expérimentale : idem partie I. 3. Protocole : Coller ou recopier le protocole ou faire un schéma légendé, en indiquant bien les mesures à effectuer nécessaires aux calculs. 4. Résultats des expériences : 4.1. Compléter et coller le tableau correspondant du document Ecrire le bilan thermique pour le système {eau ; glaçon}. Montrer que l expression littérale de la chaleur latente de fusion de l eau, notée : L f (eau) est la suivante : L f (eau) = C p(eau) m 2 (glaçon) [m 1(eau) [θ 1 θ f ] m 2 (glaçon) [θ f θ 2 ]] 4.3. En vous servant de vos mesures, déterminer la valeur numérique de L f (eau). Comparer à la valeur tabulée suivante : L f (eau tabulée, 1 atm) = 333,7 kj. kg 1. Donnée : la capacité calorifique massique de l eau est de : C p (eau tabulée) = 4,186 kj. kg 1. K 1 Conclure : l objectif est-il atteint? Page 3 sur 5

4 DOCUMENTS A ANALYSER Document 1 : Les principes physiques utiles en calorimétrie Le principe de conservation de l énergie : c est un des principes physiques sur lequel reposent toutes les théories physiques modernes (mécanique quantique, relativité générale ). Ce principe dit la chose suivante : «Dans l Univers, il n y a pas d énergie qui soit créée ou détruite. La quantité totale d énergie que renferme notre Univers est toujours restée constante. Ce qui signifie qu au cours de n importe phénomène physique ou chimique (la formation d un nuage, une transformation chimique etc ), la quantité totale d énergie échangée ou transformée est toujours conservée». Application de ce principe au cas d une enceinte adiabatique : il n y a par définition aucun échange d énergie thermique avec le milieu extérieur. En revanche, il peut y avoir des échanges de chaleurs entre les différents constituants 1, 2 présents dans l enceinte, mais comme la quantité totale d énergie présente dans l enceinte doit rester constante, en vertu de ce principe, on peut donc écrire le bilan thermique suivant : Q 1 + Q 2 + = 0 (ce que l on peut traduire par : «ce qui a été gagné par l un a forcément été perdu par l autre»). Document 2 : Présentation du vase Dewar Dans un calorimètre de Dewar, il y a un vase calorimétrique en v. Entre les 2 parois de ce vase, on a réalisé un v poussé pour limiter les pertes t.. avec le milieu extérieur. De plus, la paroi intérieure de ce vase est recouverte d une fine pellicule en a dont le but est de bien r. les rayonnements infrarouges émis par le contenu du vase, pour limiter les pertes d énergie par r avec le milieu extérieur. Ces différents dispositifs permettent à ce calorimètre de constituer une enceinte a. avec une très bonne approximation. Le rôle de l agitateur est d h la température du contenu présent dans le vase, ce qui permet ainsi d avoir une mesure de température f.. Page 4 sur 5

5 Document 3 : Tableau de mesures effectuées lors des manipulations Manipulation 1 : Détermination de la capacité thermique massique de l aluminium Masse d eau m(eau) Masse d aluminium m(alu) de l eau θ 1 de l aluminium θ 2 Température finale de l ensemble θ f Manipulation 2 : Détermination de la chaleur latente de changement d état (fusion) de l eau Masse d eau m 1 (eau) Masse de glace m 2 (glaçon) de l eau θ 1 de la glace θ 2 Température finale de l ensemble θ f Page 5 sur 5