TP B13 : Calorimétrie Q = m.c.ΔT

T6S
2012
TP B13 :
Calorimétrie
Thème B :
Comprendre
1. Différence entre température et chaleur :
1.1.
La température :
La température, c’est ce que mesure un thermomètre. Elle peut s’exprimer en degré Celsius (°C) : on la notera alors t
ou θ ; ou en Kelvin (K) : on la notera alors T. L’unité officielle de température dans le système international est le
Kelvin (température absolue).
1.2.
La chaleur :
La chaleur est une forme d’énergie. Elle s’exprime donc en joules (J). Elle représente l’énergie échangée sous forme
thermique. Cet échange de chaleur se traduit par une augmentation ou une diminution de la température.
1.3.
Capacité thermique :
Considérons un corps quelconque dont on veut faire varier la température de ΔT. Il faut lui fournir une
quantité de chaleur :
Q = C.ΔT.
C (en majuscule) est la capacité thermique d’un corps. Elle s’exprime en J.K-1.
1.4.
Capacité thermique massique :
Dans le cas d’un corps homogène, la quantité de chaleur qu’il faut lui fournir pour augmenter sa
température de ΔT est proportionnelle à sa masse, ainsi qu’à l’écart de température :
Q = m.c.ΔT
c (en minuscule) est la capacité thermique massique d’un corps. Elle s’exprime en J.kg-1.K-1.
Exemples :
Substance
solides
liquides
Gaz (à pression
constante)
Eau (glace)
Aluminium
Cuivre
Fer
Mercure
Eau liquide
Alcool
Hydrogène
Oxygène
Capacité thermique
massique (J.kg-1.K-1)
2100
890
380
460
140
4185
2390
14170
910
2. Mesure de la capacité thermique massique du fer ou du laiton :
On souhaite déterminer la capacité thermique d’un métal à l’aide d’un calorimètre dont on connait déjà la capacité
thermique : Ccalorimètre = 100 J.K-1
La calorimétrie est science qui s'occupe des mesures des quantités de chaleur.
Elle repose sur le principe de l'égalité des échanges de chaleur : lorsque deux corps n'échange que de la chaleur, la quantité
de chaleur gagnée par l'un est égale à celle perdue par l'autre (en valeur absolue).
2.1.
Protocole :
 Peser le cylindre métallique. mmétal = ………………………….
 Placer le cylindre de métal dans le bain marie (60°C) et attendre.
 Placer environ 300 mL d’eau dans le calorimètre.
 Déterminer meau = ……………….
 Mesurer la température initiale de l'eau et du calorimètre : θ1=…………...
 Relever la température du bain marie θmétal=………………….
 Retirer le cylindre métallique du bain marie et le placer rapidement dans le calorimètre.
 Attendre l’équilibre thermique (Faire l’exercice en attendant) et relever la température θfinal
2.2.
Utilisation de l’équation calorimétrique :
Paramètres
Expression de la quantité de
chaleur échangée
Pour
détermi
état initial
État final
ner
Calorimètre et
θ1 =
Qcal =
cmétal, on
accessoires
utilise
θfinal =
la
Eau
meau=
Q1=
relation
θ1 =
suivant
e qui
métal
mmétal =
Qmétal =
traduit
θmétal =
le fait
que toute l’énergie thermique échangée à l’intérieur du calorimètre reste à l’intérieur du calorimètre (rien ne part à
l’extérieur) :
Qmétal + Qeau + Qcalorimètre = 0
Partie du système
mmétal.Cmétal.( θfinal – θmétal) + meau.Ceau.( θfinal – θ1) + Ccalorimètre(θfinal – θ1) = 0
1. à partir de cette relation, déterminer la valeur expérimentale de cmétal.
2. la comparer à la valeur théorique (voir tableau dans la partie cours)
A.Exercice : Une balance étonnante
On désire déterminer la masse d’un morceau d’aluminium mais on n’a pas de balance !
On mesure Va=250 mL d’eau que l’on place dans un calorimètre dont on connaît la capacité thermique : 80 J.K-1. La
température de l’eau est ta = 18°C.
Le bloc d’aluminium est maintenu dans une étuve à 100°C.
On plonge le bloc dans l’eau du calorimètre ; on agite et on note la température tb = 30°C.
Quelle est la masse du bloc d’aluminium ?
Remarquez que les seuls appareils de mesures sont un thermomètre et une éprouvette graduée !!!
Donnée : calu = 890 J.kg-1.K-1
Correction exercice :
ceaumeau(tb- ta) + calumalu(tb- 100) + Ccalo(tb- ta) = 0
(ceaumeau Ccalo) (tb- ta) = calumalu(100 - tb)
malu = (ceaumeau + Ccalo) (tb- ta) / calu (100 - tb)
malu = (4185 * 0,25 + 80)*(30-18) / (890 * (100-30))
malu = 217 g