Partie I : Capacité thermique propre du calorimètre Capacité

TSI1 Série 7 TH – TP1 : Thermodynamique 1 – Calorimétrie
Série 7 Thermo – TP1
TP 1 : C alorimétrie
Objectifs
Objectifs :
→ Manipuler un calorimètre et ses accessoires
→ Prévoir les évolutions de température de systèmes thermodynamiques
→ Mesurer des capacités thermiques
Partie I : Capacité thermique propre du calorimètre
(avec C la capacité thermique du système isolé dans le calorimètre)
Remarque : Pour une phase condensée, comme ici, on a C ≈ CP ≈ CV
Opérations :
Thermomètre
t (min)
θ (°C)
I (A)
I
R
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Analyse
Analyse :
→ En déduire la valeur de C, la capacité thermique du système.
Chauffage
Système à isoler
→ La valeur de la capacité thermique massique de l’eau est bien
connue et vaut : c eau = 4,18.10 3 J .K − 1 .kg − 1 . Comparez
votre valeur expérimentale avec la valeur théorique. D’où
peuvent provenir les différences ?
I .2 ) P re mi èr e ma ni pul at i o n : mé t h od e éle c tri qu e
On place 300g d’eau dans le calorimètre, et on la chauffe avec une
résistance R. Par effet Joule, cette R apporte à l’eau de l’énergie thermique.
L’énergie apportée peut soit être considérée directement comme une chaleur
δ Q Joule ou bien un travail électrique δ Welec = P ⋅ dt = RI 2 ⋅ dt = δ Q Joule , ce
qui est rigoureusement équivalent.
Objectif :
→ Evaluer l’énergie électrique nécessaire à chauffer l’eau
Théorie :
→ A P constante, il vaut mieux travailler avec l’enthalpie
→ Un bilan d’énergie donne (voir Cours et DM7) :
dH = δQP
→ Mesurer la résistance de chauffe
→ Evaluer la puissance de chauffe si on impose E = 12V
→ Relever les points et tracer la courbe :
(ATTENTION A BIEN MELANGER PENDANT LA MANIPULATION
POUR HOMOGENEISER LE MELANGE)
MELANGE)
Isolant
E
C ⋅ dT = RI 2 ⋅ dt = PR ⋅ dt
d’où :
I .1 ) P ré se n ta ti on du calo ri m èt re
Un calorimètre est un dispositif destiné à
mesurer les échanges de chaleur.
(calor = chaleur / mètre = mesure)
Il isole thermiquement le système de l’extérieur,
et est en général constitué d’un simple isolant,
par exemple du polystyrène (bouteille thermos),
ou mieux, de vide. Si le calorimètre est parfait,
on peut supposer qu’il n’y a aucun échange de
chaleur avec l’extérieur : les transformations y
sont ADIABATIQUES. On y place un
thermomètre pour suivre l’évolution de la
température du système, et on suppose que la
pression est toujours égale à la pression
atmosphérique extérieure.
dU = δQéchangée + δQ Joule + δWext
)

dH = dU + PdV = dU − δWext ( quasi-statique )
(En effet, puisque :
⇒ dH = δQPéchangée + δQPJoule = C P ⋅ dT
HECKEL - 1/2
→ Première Correction : Même si le calorimètre est parfaitement
isolé, il faut au moins chauffer ses parois intérieures, au
contact avec l’eau. On modélise alors le système complet :
C = C systèm e = C cal + C eau
où
C cal
( J .K )
−1
représente la capacité thermique du calorimètre.
Calculer la valeur de Ccal pour votre manipulation.
→ On définit la « masse équivalente en eau μ » du calorimètre, c'està-dire la masse d’eau qui aurait la même capacité thermique
que le calorimètre seul. Elle sert à simplifier les expressions.
Calculer cette masse équivalente en eau.
TSI1 Série 7 TH – TP1 : Thermodynamique 1 – Calorimétrie
I .3 ) S e co nd e ma ni pul at i o n : mé t h od e d es m éla ng es
Objectif :
on en déduit C à partir de l’évolution de la température (comme on
l’a fait pour la masse équivalente en eau du calorimètre).
→ Vérifier la valeur de μ par une seconde méthode : la méthode
des mélanges. On l’illustre par le petit schéma suivant.
→ Méthode des mélanges : On mélange ce solide avec un liquide à une
température différente dans un calorimètre et on en déduit les
capacités thermiques en mesurant la température à l’équilibre.
Calorimètre
initialement à
température T1
Remarque : on peut à l’inverse prévoir la température finale du mélange si
on connaît déjà les capacités thermiques.
Masse m1 d’eau
à température T1
Masse m2 d’eau
à température T2
I I . 2 ) M es ur e par la m éth o d e d es m éla ng e s
On choisit d’utiliser la méthode des mélanges.
Théorie :
→ On travaille avec l’enthalpie H = U + PV car P est constante
→ Un bilan d’énergie donne :
∆H totale = ∆H eau 1 + ∆H eau 2 + ∆H cal = δ Q Péchangée = 0
d’où :
Opérations :
→ Mesurer la capacité thermique massique d’un solide (métal)
Théorie :
→ Ecrire le bilan d’énergie de la réaction thermique
→ En déduire la relation entre les températures initiales, finales,
et les capacités thermiques de chacun des systèmes.
( m1 + µ ) ⋅ (T f −T1 ) + m2 ⋅ (T f −T 2 ) = 0
→ Placer une masse m1 d’eau au choix à la température
chaude précédemment obtenue (bien relever la valeur)
→ Prélever une masse m2 au choix à la température ambiante,
→ Réaliser le mélange en notant bien les températures
→ Vérifier la masse équivalente en eau du calorimètre
Conclusion :
Objectif :
→ Comparer les valeurs obtenues entre les différentes
manipulations et entre les binômes. Conclure.
Partie I I : Mesure de la capacité
c apacité thermique d’un solide
Opérations :
→ Placer une masse mE d’eau au choix à température ambiante
dans le calorimètre (bien relever vos valeurs),
→ Chauffer une masse mS de solide (métal) dans de l’eau bouillante
Remarque : Il nous est impossible de mesurer la température
d’un solide avec un thermomètre classique, mais on peut la
supposer égale à celle de l’eau bouillante si le métal y est resté
suffisamment longtemps.
→ Réaliser le mélange en notant bien les températures initiales des
deux systèmes (liquide et solide) et la température finale.
→ En déduire la capacité thermique du métal utilisé, la comparer
aux valeurs réelles et à celle de l’eau.
I I .1 ) R és u mé de s mé t h od es
Pour mesurer la capacité thermique d’un solide, on peut appliquer les deux
mêmes méthodes :
→ Méthode électrique : On chauffe avec une puissance connue un morceau
du solide dans un calorimètre (pas de dissipation d’énergie, et en
général dans un bain de liquide pour mieux répartir la chaleur), puis
HECKEL - 2/2
Masse mS d’un solide
(métal) à température TS
Calorimètre
initialement à
température TE
Masse mE d’eau
à température TE