[PDF] Leçon 2 Flux, capacités et charges
[PDF] CORRIGE - Séance de TD N°6 1 / 14 - bienvenue sur la page de
[PDF] 1-Méthodes d 'extraction - PharmaEtudes
[PDF] Présentation bpi
[PDF] Compensation d 'énergie réactive - Schneider Electric
[PDF] LES NORMES DU TRAVAIL : LES JOURS FÉRIÉS Dans le - canos
[PDF] Accueil occasionnel - Pajemploi
[PDF] CONTRIBUTION SOCIALE DE SOLIDARITE SUR LES BENEFICES
[PDF] PAG Degré d 'utilisation du sol - Esch-sur-Alzette
[PDF] cote laval - Université Laval
[PDF] L 'assurance des catastrophes naturelles en 2011 - Mission Risques
[PDF] Tableau des assiettes des cotisations dans le secteur du BTP
[PDF] Prévoyance LPP 2017 (base LPP) - PK MOBIL
[PDF] note circulaire n° 726 - Direction Générale des Impôts
[PDF] L 'intervention en garantie de Bpifrance - Bpifrance Investissements
-1-
Expérience no 16
CHALEUR LATENTE DE VAPORISATION
1. PRINCIPES FONDAMENTAUX
Tout changement d'état d'agrégation d'une substance se fait avec absorption ou dégagement d'une certaine quantité de chaleur latente de transformation. On appelle chaleur latente de fusion, de vaporisation ou de sublimation le rapport de l'énergie fournie sous forme de chaleur à la masse de la substance qui est fondue, vaporisée ou sublimée. L'unité employée ici pour les chaleurs latentes est soit la calorie par gramme ou la calorie par mole (1 cal=4.18 Joules, elle correspond à la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de l'eau pure de 15°C à 16°C); par suite de la réversibilité des processus, la chaleur de fusion est égale à la chaleur libérée dans le processus inverse: chaleur de cristallisation et de solidification. Et de même la chaleur de vaporisation est égale à la chaleur de condensation. On fait souvent usage de cette égalité des chaleurs pour déterminer expérimentalement l'une ou l'autre de ces grandeurs. Il y a deux méthodes principales de mesure: a)mesure directe au moyen du calorimètre b)mesure indirecte fondée sur l'emploi de la formule de Clausius-
Clapeyron
Remarquons que les chaleurs de transformation dépendent de la tem- pérature et de la pression extérieure pour lesquelles la transfor- mation a lieu.
2. METHODES CALORIMETRIQUES
Principes
L'eau portée à ébullition dans le récipient arrive sous forme de vapeur à travers le tube de verre R dans le calorimètre K (bouteille thermos) où se trouve une quantité pesée d'eau de température connue.
La vapeur s'y condense et com-
munique à l'eau sa chaleur de condensation ce qui élève la température. A partir de la masse d'eau condensée, (déter- minée par l'augmentation du poids) et de l'augmentation de la température, il est possible de calculer la chaleur de condensation. Le dispositif est représenté sous fig.1.
Fig. 1
Premier problème: Déterminer la chaleur de vaporisation de l'eau à la pression atmosphérique. Exécution: On pèse à vide le calorimètre K dont on aura préalablement déterminé l'équivalent en eau (cf en bas de page). -2- On le remplit d'environ 600 g d'eau de température T 1 , lue au thermomètre, après avoir attendu l'égalisation des températures. La différence des poids permet de déterminer la masse m de l'eau introduite. On introduit ensuite la vapeur tout en remuant le liquide jusqu'à ce que la température s'élève à environ 70 o . Cette température finale T 2 étant mesurée exactement on détermine, par pesée, la masse m' de vapeur condensée. La température initiale T 3 de la vapeur se détermine à partir de la pression atmosphérique et du tableau des températures d'ébullition. (Ne pas oublier de faire la réduction barométrique à 0 o Précaution: Il est important que le tube de transfert R soit légè- rement incliné pour éviter que de l'eau qui se condenserait dans ce tube ne tombe dans le thermos. Seule la vapeur doit chauffer l'eau du thermos. Le calcul de la chaleur de condensation, respectivement de la chaleur de vaporisation L, se fait à partir du raisonnement sui- vant: La condensation de m' gr. de vapeur libère la quantité de chaleur m'L qui se transmet au calorimètre. L'eau de condensation formée doit encore se refroidir de la température de la vapeur T 3
à la
température finale du mélange T 2 , ce qui produit encore la quan- tité de chaleur m'c(T 3 -T 2 ), (c = 1 cal/g degré = chaleur spécifique de l'eau). La quantité de chaleur totale introduite par la vapeur est absorbée par le calorimètre, d'une part par l'eau qui s'y trouve, d'autre part par le récipient du calorimètre, le thermomètre et l'agitateur, le tout étant porté de la température initiale T 1
à la température finale T
2 . On rassemble les capacités calorifiques du calorimètre et des instruments en une seule grandeur qu'on appelle valeur en eau du calorimètre K = m i c i (cal/degré) et qui se détermine expérimentalement. La quantité de chaleur to- tale absorbée par le calorimètre est donc. (mc + K) (T 2 - T 1 L'équivalence des énergies permet d'écrire l'équation: (conserva- tion de l'énergie du fait qu'on peut négliger les pertes thermi- ques) m'L + m'c(T 3 - T 2 ) = (mc + K)(T 2 - T 1
La résolution de l'équation donne:
L = mc+K m (T 2 - T 1 ) - c(T 3 - T 2 ) (c = 1 cal/g degré) L'expérience doit commencer par la détermination de l'équivalent en eau du calorimètre: Attention cette mesure est très délicate. Il faut respecter la procédure suivante:
Le calorimètre est pesé, masse m
K .On le remplit d'environ 600 cm 3 d'eau chaude (environ 70°) et on pèse à nouveau, masse m K + m 1 . On place la ligne métallique R dont l'isolation noire doit toucher le bouchon blanc du calorimètre. Remuer avec l'agitateur jusqu'à ce que la température soit stable. Mesurer exactement cette tempéra- ture T'. On ajoute ensuite par le trou du thermomètre et sans soulever le couvercle m 2 g (environ 200 cm 3 ) d'eau froide de température T'' (T''<10°C). Remuer avec l'agitateur jusqu'à ce que la température soit stable. Mesurer la température finale T, puis peser le calorimètre, masse m K + m 1 + m 2 -3-
On pourra donc écrire:
(m 1 c + K) (T' - T) = m 2 c (T - T'') K = m 2 c T-T'' T'-T - m 1 c (voir appendice) Calculer K après chaque mesure et s'assurer qu'on obtient un résultat positif sinon recommencer en améliorant la technique! Faire vérifier par un assistant l'ordre de grandeur de K. On déterminera K trois fois et c'est la valeur moyenne qu'on em- ploiera pour déterminer L. On comparera L avec la valeur des tables.
3.DETERMINATION DE LA CHALEUR DE VAPORISATION A PARTIR DE LA
COURBE DE PRESSION DE LA VAPEUR
Principe: Pour une substance, par exemple un liquide, enfermée dans un espace parfaitement étanche, on observe que l'espace non occupé par le liquide est rempli par sa vapeur (fig.2). Liquide et vapeur se trouvent en état d'équilibre thermodynamique et constituent ce qu'on appelle un système. Liquide et vapeur sont appelés les phases du système.
Dans notre cas il s'agit d'un
système à une composante et à deux phases. Un tel système ne possède qu'un degré de liberté, c'est-à-dire qu'une seule grandeur d'état, ici la température, détermine toutes les autres, pression p, les volumes V 1 et V 2 . Pour un tel système il existe entre ces grandeurs une relation déduite en 1834 par Clausius et démontrée exactement en 1850 par Clapeyron. C'est l'équation de Clausius-
Clapeyron qui s'écrit
dp s dT L 12 T(V 2 -V 1 L 12 représente la chaleur de vaporisation, c'est-à-dire la quan- tité de chaleur nécessaire pour vaporiser une unité de masse du liquide, dans notre cas une mole, unité de L 12 :cal/mole (passage de la phase 1 à la phase 2). V 1 et V 2 sont les volumes d'une mole dans les phases 1 et 2 respectivement, p s représente la pression de la vapeur saturée (ou tension de vapeur saturante). A partir de l'équation de Clausius-Clapeyron on voit directement que la pression de saturation ne varie pas si l'on maintient la température constante (dp s = 0 pour dT = 0), même si le volume V gaz occupé par la vapeur est changé. Ceci provient du fait que lorsqu'on diminue V gaz par exemple, un certain nombre de molécules passent de l'état gazeux à l'état liquide ou inversement, lorsqu'on augmente ce volume. Retenons donc ce fait important, que la pression de saturation ne dépend que de la température. L'équation de Clausius-Clapeyron est une conséquence de la 2ème loi fondamentale de la thermodynamique. Elle est valable pour tout système du type décrit, donc aussi pour les phénomènes de fusion -4- et de sublimation. Lorsque la courbe de pression de vapeur est connue, soit p s p s (T),il est très simple de déterminer la chaleur de vaporisation L 12 puisqu'elle est directement proportionnelle à dp s /dT, autrement dit à la pente de la tangente à cette courbe, pour la température considérée.
La détermination pratique de L se
fera de la façon suivante:
Comme les pressions qui
interviennent dans notre expé- rience sont faibles, on pourra traiter la vapeur comme un gaz parfait. On pourra donc écrire pour une mole: P s V 2 =RT, V 2 RT p s
R=1,98 cal/deg.
D'autre part, cette mole de gaz
ayant sous forme de liquide un vo- lume V 1 qui est de l'ordre de 1000 fois plus faible, on pourra négli- ger V 1 devant V 2 et on obtiendra l'expression: dp s dT L 12 p s RT 2 qui peut s'écrire, en tenant compte de dp s p s = d(lnp s ) (ln = log. nat.) d(lnp s dT L 12 RT 2 de là, par intégration, dans l'hy pothèse où la variation avec la température de L 12 est négligeable (donc L 12
à considérer comme constante):
lnp s L 12 R 1 T + const.
La représentation graphique lnp
s en fonction de 1/T doit donc fournir une droite, dont le coefficient angulaire vaut (fig. 3)
Δlnp
s
Δ(1/T)
L 12 R d'où L 12 = - R
Δlnp
s
Δ(1/T)
Exercice: Mesurer la pression de saturation de l'alcool éthylique (C 2 H 5
0H) en fonction de la température et en donner les représen-
tations graphiques p s = p s (T) et lnp s = f(1/T). A partir de cette dernière, déterminer la chaleur de vaporisation du liquide au moyen de la relation ci-dessus. Comparer le résultat obtenu à la valeur des tables. -5- Exécution: L'appareil utilisé se compose d'un tube en U ayant à une extrémité un petit ballon qui contient une petite quantité d'alcool éthylique et qu'on peut refroidir à volonté au moyen d'un bain d'eau. L'autre extrémité est reliée à un manomètre. L'espace au-dessus du liquide contient sa vapeur saturante de pression P s correspondant à la température t du bain. A chaque température t du bain qui peut être refroidi par de la glace fondante on déter- mine la pression de saturation P s = Δh. La température du bain ne doit pas dépasser 25-30°C, sinon il y a le risque que l'alcool passe dans le manomètre. Avant de commencer les mesures, demander à un assistant de purger le dispositif au moyen de la pompe à palettes.
APPENDICE
Le premier principe de la thermodynamique
δQ = dE + δA avec:δQ = chaleur communiquée au système dE = accroissement d'énergie interne δA = travail fourni vers l'extérieur appliqué à un changement d'état isotherme de l'état A à l'état B (vaporisation, liquéfaction, sublimation) d'un corps s'écrira en désignant par L la chaleur latente de transformation (par mole) et en supposant que seule la pression fournit un travail (
A = p dV):
A
B: L = E
B - E A + p V B - p V A 1) ou: L = (E + pV) B - (E + pV) A Le deuxième principe donne pour l'accroissement d'entropie: S = S B - S A Q rev T L T 2) où T est la température de transition du système qui n'a pas changé. En comparant l) et 2) on obtient: T (S B - S A ) = (E + pV) B - (E + pV) A ou (E - TS + pV) B - (E - TS + pV) A = 03) G = E - TS + pV est appelé le potentiel de Gibbs (ou enthalpie libre). Le potentiel de Gibbs satisfait aux relations: ∂G ∂T p = -S et ∂G ∂p T = V 4) qui se démontrent de la façon suivante: dG = dE - T dS - S dT + p dV + V dp maisdS = δQ T dE+δA T dE+pdV T d'où T dS = dE + p dV dG = - p dV - S dT + p dV + V dp = V dp - S dT d'où les deux relations 4) de la page précédente.
On voit que la relation 3) s'écrit simplement:
G B = G A et est valable quelle que soit la température de transition T. Par conséquent G B (T) = G A (T) -6- ce qui implique que les dérivées par rapport à T sont égales elles aussi, soit: dG B dT dG Aquotesdbs_dbs19.pdfusesText_25
TP1 Chaleur latente de fusion de la glace