AE: Transfert thermique avec ou sans changement d`état

AE: Transfert thermique avec ou sans changement d’état
Partie A: Transfert thermique sans changement d’état
Problématique :
Pourquoi la personne ne se brûle-t-elle pas les mains ? Comment
évolue la température des mains, de la boisson chaude, de la tasse ?
Savez-vous en prenant un thermos fermé si ce dernier contient
une boisson chaude ou une boisson glacée ?
 DOCUMENT 1 : Matériel disponible
Un calorimètre, thermomètre, eau froide, eau chaude, balance.
 DOCUMENT 2 : Transfert thermique
Lorsque 2 corps à des températures différentes sont mis en contact, ils échangent de l’énergie :
on parle de transfert thermique.
Ce transfert thermique se fait spontanément du corps chaud vers le corps froid.
Si les deux corps sont placés dans une enceinte isolée thermiquement, le transfert se termine
lorsque les deux corps sont à la même température (comprise entre celle du corps froid et
celle du corps chaud), on dit alors qu’il y a équilibre thermique.
- le corps le plus froid reçoit de l’énergie du corps le plus chaud et voit sa température
augmenter
- le corps le plus chaud cède de l’énergie au corps le plus froid, et voit sa température
baisser.
 DOCUMENT 3 : Énergie thermique
On notera Eth l’énergie thermique reçu ou cédée par un corps. Elle a pour expression :
Eth = m . c . (f – i)
Si
Eth
m : masse du corps (en kg)
avec c : sa capacité thermique massique (en J.Kg -1.°C -1)
f et i : les températures du corps à l’état final et initial (en °C)
 0 , le corps a reçu de l’énergie
Si
Eth
 0 , le corps a cédé de l’énergie
 DOCUMENT 4 : capacité thermique massique
La capacité thermique, notée C, est déterminée par la quantité d'énergie à apporter par
transfert thermique (échange de chaleur) pour élever d'un kelvin la température d'une
substance. Comme elle dépend du corps, de son état physique et de sa masse m, on utilise
souvent la capacité thermique massique :
L'unité est en J.Kg-1. °C-1
Donnée : ceau = 4,18.103 J.Kg-1. °C-1)
Q1 : Proposer un protocole expérimental afin de valider les informations données dans
le document 2.
ANA 3
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/4
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Q2 : Faire un schéma légendé
REA 6
/2
Le temps quelques peu limité en activités expérimentales oblige au professeur de mentionner
toutes ses observations afin que chaque élève puisse calculer les différentes variations
d’énergie.
-J’ai relevé un calorimètre dont la température à l’intérieure de l’enceinte est c = 20,5°C
- J’ai pesé une masse m1 = 148,3 g d’eau du robinet j’en ai relevé la température 1 = 20,5°C et
je l’ai introduit dans un calorimètre,
- J’ai pesé une nouvelle masse m2 = 152,3 g d’eau chaude j’en ai relevé la température 2 = 64°C
et je l’ai introduit également dans un calorimètre,
- J’ai fermé le calorimètre, en ayant au préalable mélanger le tout et après stabilisation de la
température, j’ai relevé une température finale (correspondant à la température d’équilibre de
mon système) f = 38,5°C .
Q3 : Faites le bilan des corps qui reçoivent ou cèdent de l’énergie
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ANA 1
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/3
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Q4 : Calculer l’énergie thermique reçue ou cédée par chacun des corps
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REA 7
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/3
 DOCUMENT 5 : Système thermiquement isolé
Un système est isolé thermiquement lorsqu’il n’échange pas d’énergie avec le milieu extérieur
(l’air autour de lui). Par exemple, un thermos remplit de café très chaud est un système isolé car
on ne ressent aucune chaleur lorsqu’on le prend à la main.
Un calorimètre est également un objet thermiquement isolé.
Conséquence : Les échanges d’énergie n’ont lieu qu’entre les objets à l’intérieur de ce système.
La somme de des énergies de tous les corps appartenant au système est nulle :
Eth1 + Eth2 + … = 0
 DOCUMENT 6 : Capacité thermique du calorimètre
Pour un calorimètre, l’énergie thermique échangée a pour expression :
Eth = C. (f – )
avec
C : sa capacité thermique (en J.°C -1)
Q5 : A l’aide des documents 5 et 6, faire les calculs nécessaires pour déterminer la capacité
thermique C du calorimètre.
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REA 7
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/2
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Q6 : Comparer cette valeur expérimentale avec la valeur donnée par le constructeur :
Cthéorique = 200 J.°C-1, expliquez l’écart :
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VAL 2
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/1
Partie B: Transfert thermique avec changement d’état: fusion de
la glace
 Introduction :
Il est courant d’utiliser des glaçons pour préparer une boisson
rafraîchissante. Au fur et à mesure que les glaçons fondent, la
boisson refroidit.
On peut dire que l’énergie .................................................par la
boisson est .................................. par l’eau des glaçons, qui subit
des variations de température et un changement d’état.
Comment déterminer l’énergie nécessaire à leur fusion ?
 DOCUMENT 7 : Energie massique de fusion
Un transfert thermique peut également entraîner le changement d’état physique d’un corps.
Lorsque l’on introduit des glaçons dans une eau tiède, les glaçons fondent car ils reçoivent de
l’énergie notée E fusion par transfert thermique (fournie par l’eau tiède). Cette énergie est
proportionnelle à l’énergie massique de fusion (appelée encore chaleur latente massique de
fusion) notée Lfusion :
Efusion = mglace ´ L fusion
avec m, masse du corps qui change d’état (en kg)
L, chaleur massique de changement d’état (en J.kg
-1
)
Dans un calorimètre, thermiquement isolé, contenant une masse m eau d’eau liquide tiède à la
température i , on introduit une masse mglace de glaçons à la température fusion = 0°C.
On laisse évoluer le mélange jusqu’à ce que sa température s’équilibre à la valeur  éq.
Q7 : Au cours de cette expérience, indiquez les échanges thermiques notés
ETh 1, ETh2, ETh3 et ETh 4 qui auront lieu en détaillant les variations d’énergie
ANA 1
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/2
Suivre le protocole suivant :
- Peser environ une masse m1 = 300 g d’eau froide et la verser dans le calorimètre,
Masse exacte d’eau m1 =
-
Relever la température précise
1
de l’eau dans le calorimètre au bout de quelques minutes :
Température de l’eau 1 =
Remarque 1 : On considèrera que la température initiale du calorimètre est égale à celle de l’eau
introduite :
Température du calorimètre c = 1 =
-
Peser rapidement des glaçons (minimum 40 g) et les introduire dans le calorimètre. On
considèrera que les glaçons sont à la température de fusion de l’eau :
Température des glaçons 2 =
Masse des glaçons m2 =
Remarque 2 : Au cours de la fusion d’un corps pur (ici la glace), la température reste constante
(ici 0°C).
-
Agiter doucement le mélange eau + glace. Au bout de quelques minutes, relever la
température finale f du système. (C’est la température d’équilibre atteint par le mélange.
Température finale f =
 DOCUMENT 8: États physique de l’eau
ETAT SOLIDE
ETAT LIQUIDE
ETAT GAZEUX
Q8: Du point de vue microscopique, à quoi sert l’énergie qu’il faut apporter aux glaçons pour les
faire fondre ?
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Q9 : Calculer les variations d’énergies
ETh 1, ETh2 et ETh 4 des différents corps :
COM 2
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/3
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Q10 : Le calorimètre étant toujours isolé, établir une relation entre
ETh 1, ETh2, ETh3 et
ETh 4. En déduire la valeur de l’énergie échangée entre les glaçons et les autres
constituants du système. Est-ce de l’énergie cédée ou reçue par les glaçons ?
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COM 2
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exp
/2
Q11: En déduire la chaleur latente massique de fusion expérimentale notée Lfus
de l’eau en J. Kg -1
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REA 7
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/1
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Q12: Calculer l’écart relatif avec la valeur théorique
relatif en % est donné par la relation :
Thé
o
(Lfus
= 330 x 103 J.kg-1) sachant que l’écart
Exp
LThéo
Fusion - LFusion
´100
LThéo
Fusion
REA 7
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/1
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Q13: Quelles peuvent être les sources d’écarts possibles :
VAL 2
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/1
Nom, prénom : ………………………..
Compétences travaillées lors de la séance expérimentale n°7: Mesure d’une énergie de
changement d’état
Q1
Compétences
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
Q9
Q10
App : S’approprier l’information
Extraire des informations utiles, adopter
une attitude critique vis à vis de
l’information, questionner, identifier un
**
problème, reformuler, identifier les
risques
Réa : Réaliser (Faire)
Suivre un protocole donné
**
**
Effectuer un relevé de mesure
**
**
Réaliser un montage avec le matériel à
disposition
Réaliser ou compléter un schéma.
**
Effectuer un calcul
Réaliser un graphique.
**
**
**
Ana : Analyser
Emettre une hypothèse
Identifier les paramètres qui influencent
un phénomène, choisir les grandeurs à
mesurer
Elaborer un protocole
**
**
Proposer, décrire un modèle
Val : Valider, Critiquer
Confronter un modèle à des résultats
expérimentaux : vérifier la cohérence des
**
résultats obtenus avec ceux attendus
Interpréter les résultats
**
**
Estimer l’incertitude d’une mesure
**
Com : Communiquer
Rendre compte à l’écrit ou à l’oral (de
manière synthétique et structurée, en
utilisant un vocabulaire adapté et une
langue correcte)
Exprimer un résultat (grandeur-unité** **
**
chiffres significatifs)
Auto : Etre Autonome, Faire preuve d’initiative, Savoir-Etre
Travailler efficacement seul ou en équipe
(en étant autonome, en respectant les
**
règles de vie de classe et de sécurité)
Soigner sa production
** acquis
* en cours d’acquisition
**
**
**
** non acquis