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TP Chgt_etatcor - S. Tatulli

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<strong>TP</strong>1STHÈME COMPRENDRE/LOIS ET MODÈLES/COHESION DE LA MATIÈRECH. XII COHÉSION DES SOLIDES IONIQUES ET MOLÉCULAIRESSituation déclenchanteIl est courant d’utiliser des glaçons pour préparer une boisson rafraîchissante. Au fur et à mesure que lesglaçons fondent, la boisson refroidit. On peut dire que l’énergie perdue par la boisson est reçue par l’eaudes glaçons, qui subit des variations de température et un changement d’état.Comment déterminer l’énergie nécessaire à leur fusion ?Principe de la mesure : la méthode des mélanges.MESURE D’UNE ENERGIE DE CHANGEMENT D’ETA<strong>TP</strong>AGE 1 /3Pour déterminer la valeur de l’énergie nécessaire pour faire fondre de la glace, on place un mélange d’eau et de glaçonsdans un calorimètre, récipient thermiquement isolé, c’est à dire qui n’échange pas d’énergie avec le milieu extérieur.Ainsi, les échanges d’énergie n’ont lieu qu’entre le calorimètre, l’eau et les glaçons.Schéma d’un calorimètre Afin de suivre l’évolution de la température lors dumélange, une sonde de température reliée à une carted’acquisition sera introduite dans le calorimètre.Protocole expérimental• Ouvrir avec « latispro », le fichier élève situé dans le répertoire « comprendre/ <strong>TP</strong> » de première S.• Peser le vase intérieur du calorimètre :mC=141,2 g ........................................................................................................................................................• Mesurer 200 mL d’eau distillée à l’éprouvette graduée et les verser dans le vase. Peser l’ensemble et endéduire la masse exacte d’eau introduite : m(eau +calorimètre) =339,6 gmeau = m(eau +calorimètre) - mC = 339,6 – 141,2 =198,4 g• Replacer le vase dans le calorimètre, fermer le couvercle et introduire la sonde de température.• Appuyer sur la touche F10 afin de lancer l’acquisition des températures.(la lecture de la température initiale θi à l’intérieur du calorimètre sera effectuée à la fin de l’acquisition).• Préparer 3/4 glaçons à θfus = 0°C, les essuyer avec du papier filtre et les immerger rapidement dans l’eau ducalorimètre. Refermer rapidement le couvercle.• Agiter de temps en temps et observer l’évolution de la température.• Lorsque la température semble se stabiliser (15/20 min), terminer l’acquisition (Touche Esc).• Lire alors à l’aide du réticule, les températures initiale et finale à l’intérieur du calorimètre.θi = 22,98 °C ; θf = 13,4 °C• Peser à nouveau le calorimètre et en déduire la masse exacte de glaçons introduits : m(eau +calorimètre+glaçon)=367,35 gmglaçon = m(eau +calorimètre+glaçon) - m(eau +calorimètre) = 367,35 -339,6 =27,75 g


Exploitation des résultatsDonnées : L’énergie thermique ∆E ! reçue ou cédée par un corps de masse m lors d’une variation de température (d’unevaleur initiale θ ! à une valeur finale θ ! ) est donnée par la relation suivante : ∆E ! = m. c. θ ! − θ !Unités : ∆E en Joule J, m en kilogramme kg et c (capacité thermique massique du corps) en J. °C -1 . kg –1Pour l’eau on prendra ceau = 4,18.10 3 J.°C -1 .kg -1 L’énergie thermique ∆E !"# reçue ou cédée par un calorimètre lors d’une variation de température (d’une valeurinitiale θ ! à une valeur finale θ ! ) est donnée par la relation suivante : ∆E !"# = C !"# . θ ! − θ !Unités : ∆E !"# en Joule J, m en kilogramme kg et C !"# (capacité thermique du calorimètre) en J.°C -1Ici on prendra C !"# = 200 J.°C -1 L’énergie thermique ∆E é!"! reçue ou cédée par un corps de masse m pour changer d'état physique, sous unepression P et à la température θ (température de changement d'état) est donnée par la relation suivante :∆E é!"! = m. LUnités : ∆E é!"! en Joule J, m en kilogramme kg et L (chaleur massique de changement d'état) en J.kg – 1On cherche à déterminer ici la chaleur massique (ou chaleur latente) de fusion de la glace, notée LfusQuestions :1/ a- Exprimer l’énergie cédée par l’eau initialement présente dans le calorimètre, entre le début de l’expérienceet l’instant où la température du mélange prend la valeur θ !∆E !"# = m !"# . c !"# . (θ !"#$ − θ ! !"# )∆E !"# = 198,4 . 10 !! ×4,18. 10 ! 13,4 − 22,98∆E !"# = −7945 JCette valeur est négative ce qui signifie que l’eau perd de l’énergie ; elle se refroiditb- Exprimer l’énergie cédée par le calorimètre pendant ce même intervalle de temps.∆E !"# =. C !"# . (θ !"#$ − θ ! !"# )∆E !"# = 200× 13,4 − 22,98∆E !"# = −1916 JCette valeur est négative ce qui signifie que calorimètre perd de l’énergie ; il se refroidit2/ a- Exprimer l’énergie reçue par les glaçons lors du changement d’état.∆E é!"! = m !"#$% . Lb- Exprimer l’énergie reçue par l’eau des glaçons lorsqu’elle a atteint le température finale du mélange.Il s’agit de l’eau liquide produite par les glaçons et dont la température passe de θ ! !"# = 0° (à la fin de leur fusion) àla température finale θ ! de l’ensemble du système quand l’équilibre thermique est atteint∆E′ !"# = m !"#$% . c !"# . (θ !"#$ − θ ! !"# )∆E′ !"# = 27,75 . 10 !! ×4,18. 10 ! 13,4 − 0∆E′ !"# = 1554 J3/ Le calorimètre étant thermiquement isolé, on peut admettre que l’énergie reçue par les glaçons estégale à l’énergie fournie par le calorimètre et l’eau qu’il contient.a- Déduire de ces informations l’expression littérale de la chaleur latente de fusion de la glace.On considère que le calorimètre est bien isolé thermiquement et donc on admettra que le systèmecalorimètre + eau + glaçon n’échange aucune énergie avec l’extérieur. Tout les échanges d’énergiequi ont lieu à l’intérieur du système ne modifient pas sont énergie. Son énergie ne varie donc pasOn peut écrire que : ∆E !"!#è!" = 0 soit∆E !"!#è!" = ∆E !"# + ∆E !"# + ∆E′ !"# + ∆E é!"! = 0∆E !"# + ∆E !"# + ∆E′ !"# + m !"#$% . L = 0m !"#$% . L = −(∆E !"# + ∆E !!" + ∆E′ !"# )L = − (∆E !"# + ∆E é!"#$ + ∆E′ !"# )m !"#$%b- La calculer.(−7945 + 1554 − 1916)L = −27,75. 10 !!L = 2,993. 10 ! J. kg !!L = 299,3 kJ. kg !!


c- La comparer avec la valeur fournie par les tables, soit Lfus = 330 kJ.kg – 1 .La valeur trouvée de la chaleur latente n’est pas très éloignée de celle fournie par les tablesd- Discuter sur l’amélioration possible du protocole et les sources éventuelles d’erreur.On peut penser que le calorimètre n’est pas suffisamment isolé.

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