Mesure de la chaleur latente de fusion de la glace Objectifs

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Lois et modèles
TP.13 : Mesure de la chaleur latente de fusion de la glace
Objectifs :
 Déterminer la capacité calorifique d’un appareil de mesure.
 Mesurer une énergie de changement d’état.
Matériel :
 Un calorimètre + Accessoires
 Une sonde thermométrique
 Ordinateur + logiciel LatisPro
 Une balance électronique 0,1 g
 Un bécher 250 mL
 Une bouilloire (au bureau)
 Une potence + noix + pince
 Gros sel de cuisine (au bureau)
 Papier absorbant
 Glaçons (au début du TP)
I. Détermination de la capacité calorifique Ccal du calorimètre.
Avant de procéder à la mesure de la chaleur latente de fusion de la glace, on doit déterminer la capacité calorifique Ccal du
calorimètre.
I.1 : Le calorimètre + les accessoires
Agitateur
Couvercle
Aluminium
20.0°C
Sonde thermométrique
Air ou vide
I.2 : Méthode des mélanges :
Manipulations
 Utiliser la fonction « tare » de la balance avec un bécher de 250 mL dans lequel on verse une masse m 1 d’environ 100 g
d’eau froide, prise au robinet, à la température θ1







Noter les valeurs exactes retenues :
m1 =
g
θ1 =
°C
Verser le contenu dans le calorimètre.
Avec le même bécher 250 mL, tarer à nouveau la balance, puis verser une masse d’eau chaude m2 d’environ 100 g à
température θ2, prise au bureau.
Noter les valeurs exactes retenues :
m2 =
g
θ2 =
°C
Verser le contenu dans le calorimètre.
Refermer le couvercle du calorimètre.
Agiter bien l’eau, puis attendre l’équilibre thermique (quand la température devient quasiment constante).
Attendre environ 10 min, puis relever la température d’équilibre e. Noter la température e =
°C
Pendant ce temps, lire le principe de la méthode des mélanges et répondre aux questions ci-dessous.
Principe de la méthode des mélanges
Il est courant d’utiliser des glaçons pour préparer une boisson rafraîchissante. Au fur et à mesure que les glaçons fondent,
la boisson refroidit. Il y a un échange thermique entre la boisson et les glaçons apportés.
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la
La capacité thermique massique de l’eau sera notée ceau.
La capacité calorifique du calorimètre sera notée Ccal.



La masse d’eau m1 est à la température 1.
La masse d’eau m1 est en contact dans le calorimètre avec la masse d’eau m2 à la température 2.
Les échanges thermiques pour l'ensemble (calorimètre + eaux) conduisent à un équilibre thermique à la température e.
En l'absence de fuites thermiques, le calorimètre n’échange pas de chaleur avec l’extérieur :
le système (calorimètre + eaux) est alors considéré comme adiabatique, la variation d’énergie thermique totale du système
est nulle Qtot = 0
On note



:
Q1 : Energie thermique échangée par la masse d’eau m1 entre la température 1 et la température e
Q2 : Energie thermique échangée par la masse d’eau m2 entre la température 2 et la température e
Q3 : Energie thermique échangée par le calorimètre entre la température 1 et la température e
Questions :
1. Quelle est la relation entre Qtot, Q1, Q2 et Q3 ?
2.
Exprimer :
 Q1 en fonction de m1, ceau, 1 et e
 Q2 en fonction de m2, ceau, 2 et e
 Q3 en fonction de Ccal, 1 et e
3.
D’après la question.1, exprimer la capacité calorifique du calorimètre Ccal (en J.K-1) en fonction de
4.
Justifier le fait que les températures peuvent être exprimées indifféremment en °C ou en K.
5.
On donne la capacité thermique massique de l’eau liquide : ceau = 4180 J.kg-1.K-1
En appliquant la relation établie à la question.3, en déduire la capacité calorifique du calorimètre Ccal.
6.
Comparer ce résultat à la grandeur donnée par le constructeur, c’est-à-dire la « valeur en eau » du calorimètre.
Conclure quant à la précision de la valeur calculée.
m1, m2, ceau, 1, 2 et e.
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II. Détermination de la chaleur latente de fusion de l’eau
II.1 : Principe
A pression constante, pour un corps pur (comme l’eau) ayant atteint sa température de changement d’état, il lui faut une
quantité d’énergie supplémentaire pour changer d’état : c’est l’énergie massique de changement d’état (appelée aussi
« chaleur latente de changement d’état »), notée L.
On la mesure par la variation d’énergie thermique Q, telle que : Q = m.L, m étant la masse.
Quand on introduit une masse m0 de glace à la température Θ0 = 0°C dans un calorimètre contenant une masse m1 d’eau
liquide à la température 1, on peut écrire, e étant la température dans l’état d’équilibre final :
Qtot = 0 (calorimètre isolé)

Qeau + Qcal + Q’eau + Qfus = 0
D’où : (m1.ceau + Ccal) (Θe - Θ1) + m0.ceau (Θe - Θ) + m0.Lfus = 0
On se propose ici de déterminer la valeur de la chaleur latente de fusion de l’eau Lfus.
II.2 : Protocole expérimental
Pour mesurer la chaleur latente de fusion LF de la glace, on plonge quelques morceaux de glace à Θ0 = 0°C dans un calorimètre
contenant de l'eau à une température ambiante Θ1 et on relève les variations de la température Θ au cours du temps t jusqu'à
la fusion complète de la glace et à l’équilibre thermique de température Θe.
Avant toute mesure, des glaçons d'eau distillée sont placés au bureau dans un récipient contenant de l'eau distillée de
manière à les porter à la température Θ0 = 0°C.
 Sous le logiciel LatisPro, préparer un tableau avec deux variables :

La température Θ en °C

Le temps t en seconde (s)
 A l’aide de la balance et d’un bécher de 250 mL, peser environ une masse m1 d’environ 150 g (soit environ 150 mL) d’eau
distillée à la température Θ1 d’environ 25°C (Ajouter un peu d’eau chaude pour ajuster cette température).
Noter les valeurs exactes de Θ1 et m1.
m1 =
g
Θ1 =
°C
 Vider le calorimètre, et verser le contenu du bécher.
 Relever la température toutes les 20 secondes en agitant en permanence pendant 4 minutes.
 Prélever 4 glaçons dans le bécher situé au bureau, bien les essuyer avec le papier absorbant avant de les introduire
dans le calorimètre.
 Poursuivre le relevé de la température pendant 15 minutes environ, jusqu’à la fusion complète de toute la glace et
l’apparition de l’équilibre thermique.
 Verser doucement le contenu du calorimètre dans un bécher de 250 mL, après avoir taré la balance, déduire la masse
m0 de glace introduite dans le calorimètre par soustraction.
Noter la valeur de m0 :
m0 =
g

II.3 : Exploitation des résultats
 A l’aide du logiciel LatisPro, tracer la courbe Θ = f(t) et l’enregistrer.
 A partir de cette courbe déterminer les valeurs de Θ1 et de Θe

Déterminer la chaleur latente de fusion Lfus de l’eau en tenant compte de la capacité calorifique du calorimètre
précédemment mesurée. Préciser l’unité de Lfus.

Comparer la valeur Lfus trouvée à la valeur théorique : chaleur latente de fusion de la glace Lfus = 3,34.105 J.kg-1
Pour cela, calculer l'écart relatif par rapport à cette valeur théorique.
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