Chapitre 1 : Calorimétrie, fusion et vaporisation

Chapitre 1 : Calorimétrie, fusion et vaporisation
La chaleur
La chaleur stockée dans une substance est une forme d’énergie liée à l'agitation des particules
de cette substance. L’unité de mesure de la chaleur est le joule (symbole: J) mais on utilise
parfois la calorie (symbole : cal) avec comme relation entre ces deux unités : 4,18 J = 1 cal.
La calorie est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de 1 g d’eau de
1 °C. On peut trouver dans les ouvrages anglo-saxon des unités d'énergie thermique tels que le
Btu (British thermal unit) où 1 Btu = 252 cal. C’est la quantité de chaleur nécessaire pour
augmenter une masse d’eau d’une livre (0,454 kg) de un degré Fahrenheit. Le degré
Fahrenheit, noté °F, est une unité de température anglo-saxonne, la conversion s'obtient de la
façon suivant ;
t degrés Celsius = (32 + t.9/5) degrés Fahrenheit.
Ainsi par exemple :
20 °C = (32 + 20 x 9/5) °F = 68 °F
La chaleur spécifique
La chaleur spécifique d’une substance est la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer une
masse unité de cette substance pour que sa température augmente de un degré centigrade. Si
la quantité de chaleur ∆Q produit un écart de température de ∆T pour une masse m d’une
substance, alors la chaleur spécifique c de la substance est donnée par :
c=
∆Q
m ∆T
L’unité de la chaleur spécifique est le J/kg C° ou bien le kJ/kg C°. Chaque substance a sa
propre chaleur spécifique qui varie un peu avec la température. Beaucoup de substances ont
pour c une valeur plus petite que celle de l’eau.
Quelques valeurs :
Liquides
eau c = 4180 J/kg°C
essence c = 2090 J/kg°C
mercure c = 140 J/kg°C
Solides
Aluminium c = 920 J/kg.°C
Fer c = 460 J/kg°C
Cuivre, zinc c = 380 J/kg°C
Gaz - air atmosphérique c = 1000 J/kg°C
Chaleur absorbée ou perdue
La chaleur absorbée ou perdue par un corps de masse m et de chaleur spécifique c sans
changement d’état (ne passe pas de l’état solide à l’état liquide par exemple) et qui produit un
changement de température de ∆T° C est donnée par :
∆Q = m c ∆T
La chaleur de fusion
La chaleur de fusion Qf d’un corps solide est la chaleur requise pour fondre une masse unité
de ce solide à température constante. C’est aussi la quantité de chaleur restituée par une unité
de masse d’un corps fondu qui se solidifie à nouveau.
∆Q
Qf = m en J/kg ou en kJ/kg
La chaleur de vaporisation
La chaleur de vaporisation Qvap d’un liquide est la quantité de chaleur nécessaire pour
vaporiser une masse unité d’un liquide à température constante.
∆Q
Qvap = m
en J/kg ou kJ/kg
Quelques valeurs :
substances
eau
plomb
cuivre
temp de fusion
0
327
1083
Qf (kJ/kg)
334
25
380
temp de vap
100
1744
2300
Qvap (kJ/kg)
2257
900
9000
Notez que la chaleur de vaporisation est bien supérieure à la chaleur de fusion.
La chaleur de combustion
La chaleur de combustion Qc d’une substance combustible est la quantité d’énergie thermique
libérée par une masse unité lors de son oxydation et ceci à température constante.
∆Q
Qc = m
en J/kg ou souvent en M* J/kg.
Quelques valeurs :
propane
essence
pétrole
50 MJ/kg
45 MJ/kg
43 MJ/kg
charbon
bois
32 MJ/kg
18 MJ/kg
• Applications.
Les problèmes de calorimétrie impliquent souvent des échanges d’énergie thermique entre des
corps à températures différentes. Si l’énergie est conservée, alors l’énergie perdue par un
objet est égale à celle gagnée par l’autre. Ceci bien sur si aucune perte de chaleur n’est à
déplorer!
1. Quelle est la quantité d’énergie qui est nécessaire pour chauffer 0,25 litre d’eau de 20 à 35
°C? Quelle énergie est perdue par cette même eau si elle se refroidi à 10 °C ? (Rép : ∆Q =
1,57x104 J, ∆Q = -2,61x104 J)
2. On chauffe une culasse en aluminium et sa température augmente de 57 °C, si on apporte
la même quantité de chaleur à une culasse en fonte de même poids, quelle serait alors
l’augmentation de température? (c fonte = 0,5 kJ/kg.°C) (Rép : 105 °C).
*
M = Méga = 106
3. Une bouteille Thermos contient 1/4 de litre de café à 90 °C, on y ajoute 20 g de lait à 5
°C. Après mélange quelle est la température du liquide? NB : ccafé = clait = ceau (Rép :
83,7 °C).
4. Quel débit minimum doit avoir la pompe à eau du circuit de refroidissement d’un moteur
ayant une puissance de 58 ch. à 4600 tr/mn et une consommation horaire de 12,5 l
d’essence. On impose que la chute de température avant et après le radiateur soit de 20 °C.
On utilise un liquide de refroidissement (eau + antigel) de chaleur massique c = 3,72
kJ/kg°C, on admet que 1/3 de l’énergie reçue par le moteur est perdue dans le circuit de
refroidissement. Masse volumique de l’essence ρ = 750 kg/m3. (Rép : ± 30 l/min)
5. Quel était le rendement de la première machine à vapeur de J. Watt qui consommait 90 kg
de charbon pour fournir 1 kwh ? (Rép : 0,13 %).
6. Quelle quantité d’ammoniaque doit s’évaporer d’une installation frigorifique industrielle
pour que 100 litres d’eau à 15 °C soient transformés en glace à 0 °C. Qvap de
l'ammoniaque = 1340 kJ/kg. (Rép : 29 kg)
7. Quelle est la température initiale d'une boule de cuivre incandescente de 63 g de masse
qui jetée dans 300 g d'eau à 18 °C, échauffe celle-ci à 37 °C ? (Rép : 1032 °C)
8. Déterminez la température résultant du mélange de 150 g de glace à 0 °C avec 300 g d'eau
à 50 °C. (Rép : 6,7 °C).
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