[PDF] F2School CALORIMÉTRIE. II. Thermodynamique. 3

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3.CA LORIMÉTRIEII.Ther modynamique

3Ca lorimétrie

Lac alorimétrieestlapartiedelathermody namiqueq uiapou robjetlamesuredesquantités decha leur.Cesontp.ex.lesq uantit ésdechaleurnéces sairespo uraugmenterlat empérature d'uncorps ,pourchangersonéta t,oubiene ncorelesquantitésde chaleur cédéesparuncorps

quirefr oidit(ouquipassedel'étatgazeu xàl'étatl iquideouen coredel'étatliqu ideàl' état

solide).

3.1Exp ériencesd'introduction

3.1.1Relat ionentrelachaleuretlad i

ff

érencedetempérature

Chau ff onsunema ssede1kgd'eauàl'aided'un ther moplongeur.Letherm oplongeur convertit

l'énergieélectriquequ'ilr eçoitentièrementenénergiet hermiquequiseratransmi seàl'e au.Sa

puissanceélectriquePestdonc égaleaurappor tdel'énergieél ectrique E

´el.

reçuediviséep ar l'intervalledutemps∆tpendantlequelilfonc tionne,maisellees taussi égaleaurapportentre laq uantitédechaleurQreçueparl'eau diviséepa rcetintervallede temps: P

´el.

E

´el.

∆t Q ∆t Sion connaîtl apuissancePduthe rmoplongeur,onpeutdoncfacilementcalcule rlaquan tité decha leurreçueparl'eaua prèsuninterva lledete mpsdonné:

Q=P·∆t

Chau ff onsunema ssem=______ d'eauàl'a ided'unthermoplongeurdepu issance P=______ etmes uronslavariationdelat empérat ure∆Tenfo nctiondutemps(∆T=θ-θ 0 ,oùθ 0 est late mpératureàl'instantinitial.) C22.8 Comparonslesvaleursde∆Tauxvaleu rsdeQ.Onconstate: Lav ariationdelatempératureestp roportion nelle àlachaleurreçue parl'eau:

Q∼∆T

84

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∆t(s)Q(J)θ(

C)∆T(K)

3.1.2Relati onentrelachaleuretlam asse

Répétonsl'expérienc eprécédenteavecunemassed'eaudeuxfoisplu sgrande. m=______;P=_____ ∆t(s)Q(J)θ(

C)∆T(K)

Onco nstate:Pourunemêmeaugme nta tiondetempér ature∆T,ilfautattendredeuxfois pluslongt emps.Lachaleurnécessairepour chau ff erunema ssed'eaudeuxfoisplusgrandeàla mêmetemp ératurefinaleestledoubledelach aleurprécédente.

Conclusion:

Lach aleurreçueparl'eauest proportionnelle àsamasse :

Q∼m

85

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3.2Lacap acitéth ermiquemassique

Lesexpé riencesprécédentesviennentdemontre rque:

Q∼m

Q∼∆T

Onpe utconclurequ e:

Q∼m·∆T

Q m·∆T =c(constante)(∗) Lac onstantecestappel éecapacitéthermique/ca lorifiquemassique.Elledépenddelamatière quireço it/cèdelachaleuretestexpriméeen J kg·K (JouleparKilogram meKelvin). Laca pacitéthermiquemassiquecreprésentelaquantitédecha leuréc hangéepar1kgde substancelorsd'unevari ationdetempé raturede1K(oud e1 C). Finalement,lachaleurqu'ilfautap porte ràuncorpsdemassemetdecapacitéthermiquecse calcule,entransform ant l'équation(*),parlaformule:

Q=m·c∆T

matièrec( J kg·K mercure139 cuivre389 fer456 béton800à1000 aluminium900 air1000 sodium1256 huiled'olive 2000 pétrole2093 eau4186 glace2060 hydrogène14300 TableII.1-Capac ité scalorifiquesmassiquesdeque lquessubstancescou rantes Onre marquequel'eauaunecapac itéthermi quemassiquepar ticulièrementélevée.C'estlarai- sonpour laquelleellee stcourammentutiliséepo urtransporterlach aleur danslesinstallations decha u ff ageouencor epourév acuerlesgrandesqua ntitésdechaleurd'unmoteur àexplos ion verslerad iateur . Remarque:calorieetCalorie-desa ncien nesunitésd'énergie 86

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Pourélever latempératurede1gd'eaude1

Q=m·c·∆T=0,001kg ·4186J /kgK·1K=4,186J.Cettequantitéd'énergiereprésente uneanc ienneunitédel'énergie ,laca lorie(avecuncenmi nuscul e). Unecalor ieestl'énergiequ'ilfa utfournir à1gd'eauafind'éleve rsatem pératurede1 C:

1cal=4,186J

LaCa lorie(avecunCmajusc ule),ougrandecalori ecorrespondà1000calories,soi t41 86joules.

1Cal=1000cal=4186J=4,186kJ

3.3Signe delachaleur

Parconv ention:

- Siuncorpsreçoitdela chaleur, lachaleuréchangéeparlui estunecha leurpositive: Q>0. - Siuncorpscèdedela chaleur, lachaleuréchangéeparlui estunecha leurnégative: Q<0.

Exemple:

Pourélever latempératurede1gd'eaude1K,lachaleurreçueparl'eauvautQ=+4,186J. Si1gd'eaurefroidit de1K,lachaleurcédéeparl'eauvautQ=-4,186J .

3.4Chaleu retchangementsd'état

3.4.1Fusion etchaleurlatent edefus ion

Commelaglace ,toute substancepurefond(c' est-à-direpassede l'état solideàl'étatliquid e) F .Letableausuivant donnelest empératur esdefusiondequelquessubstancescourantes: Nousavonsv uqu'unapportdec haleurp eutaugmente rlatempératured'unco rps.Cependant, sile corpsse trouveàsatempéra tur edefusion,unapport dec haleurnevaplusaug men tersa température,maistoutelachaleu rreçueserautili séepourchangerlecorpsdel'é tatso lideà l'étatliquide.

Explication:

Lespartic ulesconstituantlesolideéta ntanimésdemouvementsvibrat oires,unapportd'énergie thermiqueaugmentel'ampli tudedecesoscillationse tdonclate mpératuredusolideaugmente. Apartirdelatempératuredefusion,lesparticulespeuventglisserlesunessurl esautrescar lesliaison squilestenaientàle urplaceso ntdétr uites.L'ordrecaractéris tiquedelastructure solidedisparaît. L'énergiefourniesertàbriserc ettecohésion. 87

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substanceθ F C) acier1515 aluminium660

éthanol-117

fer1535 glace0 huile∼-10 mercure-39 tungstène3410 hélium-272 air-220 plomb327 or1064 diamant3540 TableII.2-Tempér atu resdefusiondequelquessubstances Lach aleurQnécessaireàlafus io nd'uncorpssolidedemassemsecalculeparlaformule:

Q=m·L

F >0 L F estlachaleurlatentedef usion.Elleestcaractéristiquedelasubstance.Sonunitéestle J kg .Savaleurreprésentel'énergiequ'ilfautfournirà1kgdela substance pourlafairefondre entièrement. substanceL F J kg aluminium396.000 fer267.000 glace330.000 mercure11.000 plomb25.000

TableII.3-Chale urs latentesdefusion

3.4.2Solidi fication

Toutcorpsp ursesolidifieàu netempéra turequ iluiestpropre.Cet tetempératuredesolidifi- cationestlamêm equel atempératur edefusion θ F .Durantcechangementd'état,leliquide cèdedel' énergiethermiqueàsonenviro nnement. Lach aleurQcédéeparuncorpsl iq uidedemassemlors desasolidificationsecalculeparla formule:

Q=-m·L

F <0 avecL F lach aleurlatentedefusiond ucorps. 88

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3.4.3Vaporis ationetchaleurlatentedevaporisa tion

Commel'eau,t outesubstancepureent reenvaporisatio n(c'est-à-direpassedel'étatliqui deà l'étatgazeux)à unetempératurequiluie stp ropre:satempératuredevaporisation,notéeθ V Leta bleausuivantdonnel estempératuresdevaporisati ondequelquessubstancescourantes: substanceθ V C) aluminium2467 mazout210à380 mercure357 eau100

éthanol78,5

butane1 propane-45 oxygène-183 azote-196 hélium-267 TableII.4-Tempér atu resdevaporisationdequelquessubsta nces Alatempératuredevaporisation,toutelachaleurfournieàunl iquidesertauchangem entde l'étatliquideàl'éta tgazeux.Late mpé raturereste constantedura ntlavaporisation . Lach aleurQnécessaireàlavap ori sationd'unliquidedemassemse cal cul eparlaformule:

Q=m·L

V >0 L V estlachaleurlatentedevap orisation.Toutcommepourlachaleurlatentedefusion,elleest caractéristiquedelasubstanceetsonunitées tle J kg substanceL V J kg azote200.000 eau2.300.000

éthanol850.000

fer6.310.000 dioxydedecarbone590.000 hélium25.000 dihydrogène452.000 mercure300.000 dioxygène213.000

TableII.5-Chale urs latentesdevaporisation

3.4.4Condens ation

Toutcorpsp urpassedel'éta tgazeuxàl 'étatliquideàsa températuredeliquéfaction,quiest

lamê mequelatempé raturedev apo risationθ V l'énergiethermiqueàson environnement. 89

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Lach aleurQcédéeparungazde mas semlorsdesacond ensationseca lculeparlaformule:

Q=-m·L

V <0 avecL V lach aleurlatentedevaporis ationducorps.

3.5Appor tdechaleur:lesdi

ff

érentesétapesenrésum é

Considéronsuncorpssolidedema ssemquisetrouveini tia lemen tàlate mpératureθ init.

Apportonscontinuellementdelac haleuràcecorps.

C) Q(J) F V fin. init.IIIIIIIVV Legra phique(nonàl'échelle)montre lavariatio nde latempératureducorpsenfoncti ondela chaleurqu'ilreçoit. - phaseI:lachaleurreçueestutiliséepouraugmenterlatempératuredusolidejusqu' à late mpératuredefusion: Q I =m·c solide F init. - phaseII:lachaleurreçueestutiliséepourfondrelesolide: Q II =m·L F - phaseIII:lachaleurreçueestutiliséepouraugmenterlatempératureduliquidedela températuredefusionàlatemp ératurede vaporisation: Q III =m·c liquide V F - phaseIV:lachaleurreçueestutiliséepourvaporiserleliquide: Q IV =m·L V - phaseV:lachaleurreçueestutiliséepouraugmenterlatempératuredugaz: Q V =m·c gaz fin. V 90

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3.6Calori mètres

Unc alorimètreestunrécipientforméde paroisqua si-adiab atiques,destinéàmesure rles échangesdechaleur.Cetéc hangep eutseproduireentreplus ieurscorpseta ussimettreen jeudesc hangementsd 'états.Lecalorimètreconstitueu nsystèmethermodyn amiqueisolé,ce quiimpl iquequ'iln'yapasd'écha ngedematière etd'énerg ie(travailouchaleur)avecl'exté- rieur. Leca lorimètreparticipeauxéchange sdechaleuraveclescorpsqu'i lcontient.Ilestca ractérisé

parsacapacitécalorifiqueµ(expriméeenJ/K):c'estla chaleu réchangéepa rle calorimètresi

sate mpératurevariede1K(de1 C). Sila tempér atureducalorimètrevariede∆T,lachaleurqu'ilreçoit/qu'ilfournitvaut:

Q=µ·∆T

3.7Calori métrieetmélanges

Exemple:Déterminat ion delacapacitéthermiquemassiqued'uncor psinconnu Dansuncalo rimèt redecapacitéthermiqueµ,onintroduitunemassem 1 d'unliqui dede capacitécalorifiquemas siquec 1 ,ayantunetempératureinitialeθ 1 (aprèsquelque temps,la températureinitialeducalori mètreestdoncaussiégale àθ 1 ).On ajoute uncorpsdemassem 2 ayantunetemp ératurein itialeθ 2 1 .Sacapacitécalorifiquemassiquec 2 estinco nnue. Aprèspeudete mps,latemp ératur ed'équilibredumélange( calorimètre+liquide+corps inconnu)mesuréevautθ E - chaleurreçueparleca lorimè tre: Q 0 =µ·∆T 0 E 1 - chaleurreçueparleli quide: Q 1 =m 1 ·c 1quotesdbs_dbs22.pdfusesText_28

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