TP de chimie. Chemistry tutorial. Agitation moléculaire Molecular agitation. Réf : Français p 1. English p 4.

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1 TP de chimie Chemistry tutorial Réf : Français p 1 English p 4 Agitation moléculaire Molecular agitation Version : 1104

2 TP de chimie Agitation moléculaire Réf : Principe - description 1.1 Principe Des billes de masse et de volume différents simulent les molécules de gaz ou de liquides types. L'agitation moléculaire caractérisant l'état de ces fluides est entretenue par une plaque vibrante sur laquelle viennent rebondir les différentes billes, donc les différentes molécules. Le comportement des molécules peut être ainsi facilement représenté en fonction de leur masse (billes verre ou acier), de la température (réglage de la fréquence de vibration de la plaque), du volume (réglage par piston). 1.2 Composition la chambre d'observation est représentée par un tube de verre Pyrex de diamètre 50 mm, longueur 370 mm. Tube monté sur boîtier. moteur 6 V - continu, contenu dans le boîtier. Le moteur agit sur un piston situé dans la partie basse du tube, par l'intermédiaire d'un système bielle-manivelle. un variateur électronique, muni d'un interrupteur, permet de modifier la fréquence de battement du piston. 150 billes en verre diamètre 4 mm environ 150 billes en acier diamètre 4 mm environ 3 billes en plastique diamètre 10 mm environ 1 piston en polystyrène expansé muni d'un fil de suspension (diamètre 43 mm, épaisseur 30 mm). 2 surcharges en polystyrène expansé avec trou central pour passage du fil de suspension (diamètre 43 mm, épaisseur 30 mm). 1 couvercle servant à maintenir fermée la chambre d'observation. 1.3 Accessoires Alimentation F6 F12 / 5 A - réf Manipulations Pour une observation optimale des phénomènes décrits ci-dessous et afin de limiter la force exercée sur le moteur, il est conseillé d utiliser 80 billes environ. Pour lancer le phénomène de vibration, il est parfois nécessaire de tourner le potentiomètre jusqu à ce que le moteur démarre pour ensuite diminuer lentement sa vitesse. Il est déconseillé de pousser le moteur à fond avec un poids de bille trop important afin d éviter de faire disjoncter l alimentation. 2.1 Le mouvement désordonné des molécules La plaque de base mobile transmet aux billes l'énergie nécessaire pour provoquer puis maintenir les processus cinétiques dans la chambre d'observation. FRANÇAIS 1

3 TP de chimie Agitation moléculaire Réf : La fréquence de la plaque de base est réglable : variation de la fréquence du moteur. On pourra aussi faire varier la grandeur de la chambre d'observation en maintenant fixe un piston à différentes hauteurs. L'énergie cinétique moyenne des particules désordonnées séparées est : 1 3 mv² kt 2 2 La course de la plaque étant constante (h = 20 mm) sa vitesse moyenne en fonction de la fréquence (f) est : 2h v plaque t v plaque 2hf plaque Au cours de la transmission de l'énergie cinétique de la plaque de base aux billes, nous avons : v plaque v billes 1 3 Donc m ( 2 hf ) 2 k T 2 2 La fréquence du moteur pour un nombre de billes constant est proportionnelle à la température. 2.2 Mouvement Brownien Nombre de billes 80 billes acier Ø 40 mm + 1 ou 2 billes plastique Ø 10 mm. Volume de la chambre quelconque. Pendant l'oscillation, les billes en acier impriment par chocs un mouvement irrégulier aux billes plus grandes. 2.3 Dilatation des corps Nombre de billes : environ 80 billes acier ou verre Volume de la chambre quelconque Fréquence du moteur variable On pose un piston léger sur les billes. En augmentant la fréquence du moteur, on augmente le mouvement des billes, ce qui fait que le piston léger est déplacé vers le haut, donc le volume de la quantité de billes enfermées augmente. 2.4 Phénomènes d'évaporation et d'ébullition Fréquence du moteur variable. Volume de la chambre quelconque. La fréquence de la plaque est telle que le piston implique tout juste un mouvement aux billes. Dans la chambre d'observation, on constate que quelques billes ont une énergie cinétique plus grande que la moyenne des autres. Elles quittent la surface du niveau initial (explication du phénomène d'évaporation) puis, en augmentant la fréquence du moteur, le nombre de billes s'éloignant de la plaque augmente (explication du phénomène d'ébullition). FRANÇAIS 2

4 TP de chimie Agitation moléculaire Réf : Pression et volume d'un gaz-type a) Pression constante, volume et température variables : Introduire un piston léger au dessus des billes dans la plaque. Par l'augmentation de la fréquence de la plaque de base, une énergie cinétique croissante est fournie aux molécules. Le piston léger est soulevé vers le haut, le volume requis par le gaz augmente avec la température. P = cte T V b) Température constante, volume et pression variables : Pour une fréquence donnée, introduire successivement au dessus des billes, un, deux, puis trois pistons légers. Constater la diminution du volume requis par le gaz type. T = cte P V c) Volume constant, température et pression variables : Le piston léger est maintenu dans une hauteur déterminée dans la chambre d'observation à l'aide d'une baguette de verre. Constater que lorsque la fréquence du moteur augmente, c'est-à-dire qu'il faut appliquer une force croissante sur la baguette pour maintenir le piston fixe. V = cte P T 3 Service après vente La garantie est de 2 ans, le matériel doit être retourné dans nos ateliers. Pour toutes réparations, réglages ou pièces détachées, veuillez contacter : JEULIN - SUPPORT TECHNIQUE Rue Jacques Monod BP EVREUX CEDEX France * * 0,15 TTC/ min à partir d'un poste fixe FRANÇAIS 3

5 Chemistry tutorial Molecular agitation Ref : Principle description 1.1 Principle Balls with different masses and volumes simulate typical gas or fluid molecules. The molecular agitation that characterizes the state of these fluids is maintained by means of a vibrating plate on which the various balls, i.e. the various molecules bounce. The behaviour of the molecules can thus be easily visualized according to their respective mass (glass or steel balls), to the temperature (setting of the plate vibration frequency), and to the volume (setting by means of a piston). 1.2 Composition The observation chamber is formed by a Pyrex glass tube 50 mm in diameter and 370 mm in length. The tube is mounted on a box. 6 VDC motor housed in the box. The motor drives a piston located in the lower part of the tube via a connecting rod and crank system. An electronic variable speed drive fitted with a switch is used to vary the piston strocke frequency. 150 glass balls approx. 4 mm in diameter 150 steel balls approx. 4 mm in diameter 3 plastic balls approx. 10 mm in diameter 1 styrofoam piston equipped with a hanging wire (diam. 43 mm, height 30 mm) 1 styrofoam overloads with a center passage hole for the hanging wire (diam. 43 mm, height 30 mm) 1 cover used to keep the observation chamber sealed. 1.3 Accessories Power supply model F6 F12 / 5 A P/N Experiments For optimal observation of the phenomena described below and to limit the load on the engine, it is advisable to use about 80 balls. To start the vibrations, it is sometimes necessary to turn the knob until the engine starts and then slowly decrease its speed. It is inadvisable to push the engine thoroughly with a weight of ball too important to avoid blown fuses the power supply. 2.1 The random movement of molecules The moving base plate imparts to the balls the energy requires to start then maintain the kinetic processes inside the observation chamber. The base plate frequency is adjustable by varying the motor frequency. ENGLISH 4

6 Chemistry tutorial Molecular agitation Ref : It is also possible to vary the size of the observation chamber with the piston being kept stationary at various heights. The average kinetic energy of the individual random particles is given by: 1 3 mv² kt 2 2 As the plate stroke is constant (h = 20 mm), its average speed versus frequency (f) is: 2h v plaque t v plaque 2hf plaque As the base plate is imparting energy to the balls, we have: v plaque v billes 1 3 Donc m ( 2 hf ) 2 k T 2 2 The motor frequency for a constant number of balls is proportional to the temperature. 2.2 The Brownian movement Number of balls 80 steel balls diam. 40 mm + 1 or 2 plastic balls diam 10 mm. The chamber volume can be any value. During oscillation, the steel balls impart an irregular movement to the larger balls due to the impacts. 2.3 The expansion of bodies Number of balls : approx. 80 steel or glass balls The chamber volume can be any value Variable motor frequency Place a light piston on top of the balls. An increase in the motor frequency increases the movement of the balls, resulting in the piston being moved upwards, i.e. the volume of the enclosed balls increases. 2.4 Evaporation and boiling phenomena Variable motor frequency The chamber volume can be any value. The plate frequency is such that the piston hardly imparts any motion to the balls. In the observation chamber, observe that a few balls have a greater kinetic energy than average of the remaining ones. They leave the initial level surface (explanation of the evaporation phenomenon) then, as the motor frequency is increased, the number of balls that go away from the plate increases (explanation of the boiling phenomenon) ENGLISH 5

7 Chemistry tutorial Molecular agitation Ref : Pressure and volume of a typical gas a) Constant pressure, variable volume and temperature: Introduce a light piston on top of the balls in the plate. An increase in the base plate frequency imparts an increasing kinetic energy to the molecules. The light piston is lifted upwards, the volume necessary for the gas increases with the temperature. P = Constant T V b) Constant temperature, variable temperature and pressure: For a given frequency, introduce in succession one, two, then three light pistons on top of the balls. Observe the decrease in the volume necessary for the typical gas. T = Constant P V c) Constant volume, variable temperature and pressure: Using a glass rod, maintain the light piston at a determined height inside the observation chamber. Observe that an increase in the motor frequency du motor requires the application of an increasing force onto the glass rod for the piston to remain stationary. V = Constant P T 3 After-Sales Service This material is under a two year warranty and should be returned to our stores in the event of any defects. For any repairs, adjustments or spare parts, please contact: JEULIN - TECHNICAL SUPPORT Rue Jacques Monod BP EVREUX CEDEX France ENGLISH 6

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