Mesurer la valeur en eau d`un calorimètre.

TP calorimétrie
OBJECTIFS :
– Mesurer la valeur en eau d’un calorimètre.
– Mesurer la chaleur latente de fusion de la glace.
– Déterminer une incertitude de type B.
Remarques importantes : Au cours du TP, on n’utilisera que de l’eau distillée. D’autre
part, le cours de thermodynamique n’étant pas encore suffisamment avancé, les relations
nécessaires pour exploiter les mesures faites, sont données dans l’énoncé.
I) DETERMINATION
CALORIMETRE
DE
LA
CAPACITE
THERMIQUE
D'UN
1.1) Le calorimètre : description
Théoriquement un calorimètre est une enceinte
adiabatique. Dans la pratique, les transferts thermiques
entre l'intérieur du calorimètre et l'extérieur sont très
lents et peuvent pour cette raison être négligés.
Par l'intermédiaire de mesures de température, un
calorimètre permet de chiffrer les transferts thermiques
qui ont lieu entre les corps enfermés dans l'enceinte. Il
est constitué d'une double paroi de verre, argentée
intérieurement ; entre les 2 parois, on a de l’air sous très
faible pression. L'enceinte est surmontée d'un couvercle dans lequel ont été percés plusieurs orifices
permettant d'introduire un agitateur, un thermomètre ou une résistance électrique.
Le calorimètre et ses accessoires participent au bilan thermique, il est donc nécessaire d'en évaluer la
capacité thermique.
1.2) Mesure de la capacité thermique du calorimètre :
Manipulation :
Prenez soin de lire les consignes en entier avant de commencer la manipulation !
1) Peser le calorimètre et ses accessoires (thermomètre et agitateur). Verser environ 50 cm3 d'eau
froide (eau conservée au réfrigérateur), dans le calorimètre. La masse m1 exacte d'eau froide
introduite est déterminée par différence en pesant à présent l'ensemble (calorimètre et eau froide
ajoutée).
2) Fermer alors le calorimètre, déclencher le chronomètre, agiter doucement et noter la température
toutes les 30 secondes pendant 10 minutes. ATTENTION : ne pas arrêter le chronomètre !
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3) Pendant ce temps, faire chauffer environ 50 cm d’eau (la température de l'eau doit atteindre
environ 60°C). Relever la température θ2 de l'eau chaude, la verser aussitôt dans le calorimètre et
reposer le couvercle. La masse m2 d'eau chaude introduite sera déterminée ultérieurement, par
différence, en effectuant une troisième pesée.
4) Agiter légèrement pour mélanger et faciliter les échanges thermiques, puis suivre l'évolution de la
température en la mesurant à nouveau toutes les 30 secondes pendant 10 minutes.
5) Tracer, sur papier millimétré ou sur Regressi, la courbe donnant la température en fonction du
temps.
Document 1 :
Correction calorimétrique de Regnault
La courbe tracée nous permet de réaliser la correction calorimétrique de Regnault dans le cas où
la température dans le calorimètre encadre la température ambiante. Le calorimètre n’étant pas
parfait, il y aura des fuites dans un sens ou dans l’autre…
La méthode de Regnault nous permet d’apprécier au mieux la variation de température du système.
Ainsi, la température initiale du système calorimètre plus eau froide se lit sur la courbe à θ0 et la
température finale du (système calorimètre plus mélange eau froide, eau chaude) se lit sur la courbe à
θf.
Equation calorimétrique
L'équation calorimétrique permettant de calculer la capacité thermique C du calorimètre est :
(C + m1.c)(θf - θ0) + m2.c(θf -θ2 ) = 0
-1
-1
avec c : capacité thermique massique de l'eau, c = 4180 J.kg .K .
Calculer C et ΔC en supposant Δc=0.
Document 2 : d’après http://uel.unisciel.fr/chimie/chimther/chimther_ch03/co/apprendre_ch3_04.html
La valeur en eau d'un calorimètre correspond à la masse d'eau ayant la même capacité
calorifique que le calorimétre vide. Ainsi, un calorimètre ayant une capacité calorifique de 80
J K-1 aura une valeur en eau de 19,1 g.
Evaluer µ en grammes pour le calorimètre utilisé.
II) Mesure de la chaleur latente de fusion de la glace
Manipulation :
Prenez soin de lire les consignes en entier avant de commencer la manipulation !
1) Laisser fondre partiellement des cubes de glace dans un récipient.
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2) Peser à nouveau le calorimètre et ses accessoires préalablement séchés. Y verser environ 60 cm
d'eau chaude (portée à une température d'environ 60°C). La masse exacte m1 d'eau introduite est
déterminée par différence, en pesant à présent l'ensemble (calorimètre et eau chaude).
3) Attendre que les transferts thermiques entre l'intérieur du calorimètre et l'eau introduite,
s'effectuent et relever la température initiale θ1 à l'équilibre thermique.
4) Prendre un glaçon, le sécher avec un papier absorbant et l’introduire dans le calorimètre puis
reposer le couvercle. On admet, que le glaçon introduit dans le calorimètre est initialement à la
température θ2 = 0°C.
5) Agiter légèrement en suivant l'évolution de la température. Lorsque celle-ci se stabilise, vérifier
que la glace est entièrement fondue. Mesurer la température finale θ3 à l'équilibre thermique.
6) Peser à nouveau le calorimètre pour déterminer, par différence, la masse m2 de glace introduite.
Equation calorimétrique :
Document 3 : d’après Wikipédia
L'enthalpie de fusion est l'énergie absorbée sous forme de chaleur par un corps lorsqu'il passe de
l'état solide à l'état liquide à température et pression constantes. Au point de fusion d'un corps pur,
elle est plus communément appelée chaleur latente de fusion car c'est sous forme de chaleur que
cette énergie est absorbée et cette absorption se fait sans élévation de la température. Elle sert en
quelque sorte à désorganiser les liaisons intermoléculaires qui maintiennent les molécules
ensemble et non à « chauffer » au sens commun du terme. Ainsi, quand on chauffe de l'eau
contenant des glaçons, la température du système reste partout égale à 0 degrés Celsius tant que
les glaçons n'ont pas complètement fondu (à condition que le chauffage ne soit pas trop vif, sans
quoi la température n'est plus uniforme et on se trouve hors équilibre).
Au cours de la fusion, quel transfert thermique reçoit une masse m de glace ?
L'équation calorimétrique permettant de calculer la chaleur latente de fusion de la glace notée Lfus est
donc la suivante :
(m1+ µ).c(θ3 - θ1) + m2. Lfus + m2.c(θ3 -θ2 ) = 0
Calculer Lfus en utilisant la valeur de µ déterminée lors de la manipulation précédente.
Dans les tables thermodynamiques, on donne Lfus = 335 kJ.kg-1. Conclure.