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BACCALAURÉAT PROFESSIONNEL - FORMATION MÉTHODOLOGIQUE DE BASE
CALORIMÉTRIE
Dans la suite du document, ce symbole signifie « Appeler le professeur ». BUT DES MANIPULATIONS Trouver la nature des échantillons métalliques par la détermination de la capacité thermique massique des échantillons. RAPPEL La calorimétrie est la technique de la mesure des transferts thermiques. Pour procéder à ces mesures, il faut disposer d'une enceinte qui n'échange pas d'énergie thermique avec l'extérieur : l'enceinte est dite « adiabatique ». Σ Qéchangées avec l'extérieur = 0 . Le calorimètre est un récipient conçu de façon à minimiser les échanges d'énergie thermique avec l'extérieur. Il est composé de deux vases concentriques en aluminium, isolés l'un de l'autre par une couche d'air. Un agitateur et un thermomètre plongent à l'intérieur du vase.
Calorimètre
La détermination expérimentale de la capacité thermique s'effectue par la méthode dite « des mélanges ». TRAVAIL A RÉALISER Mesure des capacités thermiques massiques de métaux Dans la suite du document, on utilisera les abréviations suivantes : C pour calorimètre – E pour eau – M pour l'échantillon métallique. 1. Mode opératoire
•Mesurer la masse mC du calorimètre et la température ambiante θi,. •Verser une masse mE = 400 g d'eau, à température ambiante θi, dans le calorimètre. •Mesurer la masse mM de l'échantillon métallique. •Placer l'échantillon métallique dans un récipient d'eau très chaude. Attendre l'équilibre thermique. (Opérer suffisamment loin du calorimètre pour qu'il n'y ait pas d'échange thermique non voulus.)
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•Noter la température θM. •Sortir rapidement l'échantillon et le plonger dans le calorimètre sans qu'il touche les parois. •Agiter doucement. Suivre l'évolution de la température et noter la valeur maximum atteinte. C'est la température finale θf de l'eau du calorimètre.
•Opérer de la même manière avec d'autres échantillons. ATTENTION Si la température θf du calorimètre à la fin d'une expérience dépasse la température de la salle de plus de 5 °C, il faut remplacer l'eau du calorimètre.
Appel n° 1
Faire vérifier la première mesure
2. Mesures Préciser dans la deuxième colonne le métal que vous pensez être constitutif de l'échantillon. N°
Échantillon de
mC (g)
mE (g)
mM (g)
θi (°C)
θM (°C)
θf (°C)
3. Exploitation des mesures Le transfert thermique est proportionnel à la masse, à la variation de température ainsi qu'à la nature du corps représentée par la capacité thermique massique C.
Q = m C (θ f – θ i) L'unité de la capacité thermique massique est le joule par kilogramme et par kelvin J.kg – 1.K – 1 ou le joule par kilogramme et par degré Celsius J.kg – 1.°C – 1. L'énergie thermique absorbée par l'eau et le calorimètre en aluminium est donnée par : Q1 = mC CAl (θf – θi) + mE CE (θf – θi)
soit
Q1 = (mC CAl + mE CE) (θf – θi).
L'énergie thermique cédée par le métal à l'eau est donnée par :
Q2 = mM CM (θM – θf).
A l'équilibre thermique, Q1 = Q2. On peut donc écrire :
(mC CAl + mE CE) (θf – θi) = mM CM (θM – θf). PhG – FMB
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d'où la capacité thermique massique de l'échantillon métallique CM =
.
Remarque : les masses peuvent être laissées en grammes car l'expression de la capacité thermique massique comporte un quotient de masse.
4. Calculs Effectuer, en détail, le premier calcul.
Appel n° 2
Faire vérifier le premier calcul
Compléter les trois premières colonnes du tableau. N°
Échantillon de
C (J.kg – 1.°C – 1)
Nature du métal
Relever la nature du métal correspondant à la capacité thermique massique calculée et compléter le tableau. 5 Conclusion Vérifier si le métal correspond à celui que vous aviez estimer être pour chaque échantillon.
7. Ranger le matériel sur le chariot
Appel n° 3
Faire vérifier le rangement du poste de travail
Tableau de quelques valeurs de capacité thermique massique en J.kg – 1.K – 1 : PhG – FMB
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Aluminium
904
Glace (eau)
Argent
235
Zinc
Cuivre
384
Fer Nickel
2 100
Eau
4 180
391
Éthanol
2 434
Plomb
130
air
1 000
448
Carbone (graphite)
708
442
Carbone (diamant)
508
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