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ãÔÇåÏÉ ÇáäÓÎÉ ßÇãáÉ : TP N° 1 DE THERMODYNAMIQUE (chimi2. 1A.SM]



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24-06-2010, 22:40
TP N° 1 DE THERMODYNAMIQUE


"DETERMINATION DE LA CHALEUR LATENTE


DE FUSION DE LA GLACE"


INTRODUCTION :
Le mot thermodynamique se décompose en deux sous-mots :
Thermo : énergie, chaleur, …
Dynamique : mouvement, échange, transfert, …
Donc la thermodynamique est une science qui à pour l'objet l'étude des échanges de l'énergie au cours des transformations physiques ou chimiques d'un système.

I.PARTIE THEORIQUE : (03)
1.Définition d'un système :
Le système est une partie de l'univers soumise à une étude thermique parfaitement limitée par ses frontières, le reste de l'univers entourant le système s'appelle milieu extérieur.


univers = système + milieu extérieur



Selon la nature des échanges avec le milieu extérieur, on parlera de systèmes ouverts, fermés ou isolés.


Nature du


système


Nature des échanges


Exemples



Energie


Matière


Ouvert


oui


Oui


Réacteur à flux continu


Fermé


oui


non


Réacteur fermé


Isolé


non


non


Calorimètre


Pour connaitre l'état d'un système, il faut fixer un certains nombre de variables qui permettre de reconstituer expérimentalement ce système.
Ces variables sont, en thermodynamique : volume (V), pression (P), température (T), nombre de mole (n), …
Ils s'appellent variables d'état, ils peuvent être intensives ou extensives :


Variables extensives


Variables intensives


V, m, n …


Elles dépendent de la masse.


Elles ont des propriétés additives.


P, T, Xi …


Elles ne dépendent pas de la masse.


Non additives.




2.Notion d'équilibre :
Un système est en équilibre thermodynamique quand les valeurs des variables d'état sont les mêmes en tout point du système et n'évoluent pas avec le temps.
On a trois types d'équilibre :
·Equilibre thermique ;
·Equilibre mécanique ;
·Equilibre chimique.

3.Transformation :
On dit un système est transformé lorsque au moins une variable d'état change sa valeur, donc une transformation est un passage de l'état d'équilibre initial à un autre état d'équilibre.
On a deux types de transformation :
·Physique : le passage d'un état physique initiale à un autre état physique (changement de phase) ;
·Chimique : réaction chimiques.

4.Etat de la matière :
La matière est définie comme étant tout ce qui occupe un espace et possède une masse.
La matière existe en trois états : solide, liquide ou gaz.



Sublimation


Fusion vaporisation

Solide Liquide Gaz

Solidification Liquéfaction



Condensation


5.La calorimétrie :
La calorimétrie est une partie de la thermodynamique qui à pour l'objet la mesure des quantités de chaleurs échangés entre les systèmes.
On utilise pour cela un calorimètre.

Le calorimètre est un système thermodynamique isolé qui n'échange aucune énergie avec le milieu extérieur, ses parois sont indéformables et adiabatiques (adiabatique il n' y a aucun transfert de chaleur avec le milieu extérieur).

II.PARTIE PRATIQUE :
1.But de ce TP :
Détermination de la chaleur latente de fusion de la glace.

2.Principe de la méthode de mélange :
Dans une enceinte adiabatique (calorimètre) et par contact ou mélange de deux corps (a et b) à des températures différentes (Ta et Tb), il y a transfert de chaleur : à l'équilibre thermique les deux corps ont la même température T = Te (température finale ou d'équilibre du mélange), c'est le principe zéro de thermodynamique.
L'échange de chaleur s'effectue toujours du corps chaud vers le corps froid. La quantité de chaleur cédée par le corps chaud est égale à la quantité de chaleur reçue par le corps froid, c'est le principe de conservation de l'énergie appliqué aux systèmes isolés.

Le paramètre d'état qui caractérise l'état thermique du corps c'est la température, pour déterminer cette température, on utilise le thermomètre. L'échelle employée est le degré Celcuis, en thermodynamique, la température est déterminée en utilisant une échelle appelée Kelvin. La relation entre les deux échelles est donnée sous la forme :

+ 273,15


Dans ce TP, on utilise un calorimètre de BERTHELOT (quasi adiabatique) :


3.Mode opératoire :
1.Matériels et appareils :
Calorimètre, chronomètre, thermomètre, agitateur magnétique chauffant, erlenmeyer, entonnoirs, éprouvette graduée de 100 ml et la glace.

2.Méthodes :
Manipulation 01 : mesure de la capacité calorifique du calorimètre (CCal).
·On verse m1 = 100 g (100 ml) d'eau froide dans le calorimètre, et on mesure la température T1 du calorimètre :

t (min)


1


2


3


4


5


T1 (°C)


29


29


29


29


29



·On chauffe une masse d'eau m2 = 100 g (100 ml) sur l'agitateur magnétique chauffant pendant 5 minutes (bouton 7), et on mesure la température T2 de l'eau chaude, T2 = 75 °C ;

·On verse aussitôt l'eau chaude dans le calorimètre, on agite le mélange et on mesure la température finale Tf :

t (min)


1


2


3


4


5


Tf (°C)


50


50


50


50


50



Manipulation 02 : mesure de la chaleur latente de fusion de la glace (Lf).
·On met immédiatement une masse mg = 100 g d'un glaçon sec de température Tg = -1 °C dans le calorimètre. On agite sans arrêt, le mélange avec l'agitateur jusqu'à la fusion complète de la glace et on mesure la température finale :

t (min)


1


2


3


4


5


6


7


8


9


10


Tf (°C)


22


14


10


8


7


6


6


6


6


6



4.Résultats et interprétations :
1.Le graphe T = f(t) pour la manipulation (mélange eau froide et eau chaude) : (02)
·Entre I et II : à l'intérieur du calorimètre, il y a des transferts de chaleur entre les différentes parties du calorimètre (eau froide, paroi et accessoires), comme il n'y a aucune échange de chaleur avec l'extérieur, cela implique que la température de l'eau froide est égale à la température du calorimètre et elle est constante ;

·Entre II et III : par ajout d'une quantité de l'eau chaude dans le calorimètre, on remarque qu'il y a une élévation de température de l'eau froide à l'intérieur du calorimètre ;

·Entre III et IV : à l'équilibre thermique les deux corps ont la même température, on remarque que cette température n'évolue pas avec le temps (système isolé).

2.Le graphe T = f(t) pour la manipulation (mélange eau et eau glace) : (02)
·Entre I et II : à l'intérieur du calorimètre, on a déjà le mélange eau froide et eau chaude et puisque le système est isolé, il n'y a pas de transfert de chaleur avec le milieu extérieur, donc la température reste constante ;

·Entre II et III : par ajout de la glace dans le calorimètre, on remarque que la température diminue au cours du temps ;

·Entre III et IV : la fusion complète de la glace et l'obtention de l'équilibre thermique entre les deux corps (les deux corps ont la même température), on remarque que cette température n'évolue pas avec le temps (système isolé).
3.Calcul de la capacité calorifique du calorimètre CCal : (02)

Eau froide dans le calorimètre + Eau chaude

Système 01 Système 02
A l'équilibre thermique :
Système 01, c'est un corps froid il reçu une quantité de chaleur : Q1 = (m1.ce + CCal).(Tf – T1)
Système 02, c'est un corps chaud il cède une quantité de chaleur : Q2 = (m2.ce).(Tf – T2)
Dans un système isolé
Q1 + Q2 = 0
(m1.ce + CCal).(Tf – T1) + (m2.ce).(Tf – T2) = 0
CCal = [-(m1.ce).(Tf – T1) + (m2.ce).(Tf – T2)] / (Tf – T1)

Tel que :
m1 est la masse de l'eau froide (en kg)
m2 est la masse de l'eau chaude (en kg);
T1 est la température du système 01 (en K);
T2 est la température du système 02 (en K);
Tf est la température à l'équilibre thermique (en K);
ce est la chaleur spécifique de l'eau ou la chaleur qu'il doit fournir à l'unité de masse de l'eau pour élever sa température de 1 °C (en j / kg.K) ;
CCal est la capacité calorifique du calorimètre, pour un système simple de masse m, on définit alors, la capacité calorifique par unité de masse, par : C = m.c (en j / K) ;

A.N :
CCal = - [(100.10-3.4190).(50 – 29) + (100.10-3.4190).(50 – 75)] / (50 – 29)

CCal = 79,81 j / K

4.Calcul de la chaleur latente de fusion de la glace (Lf) : (02)
La chaleur latente c'est la chaleur qu'il faut fournir à la masse unité du corps étudié pour changer son état physique à température constante. Pour un corps de masse m : Q = m.L. Pour l'eau pure, sous la pression atmosphérique normale : Lf = 3,35.105 J / kg.


Eau dans le calorimètre + glace

Système 01 Système 02
A l'équilibre thermique :
Les chaleurs mises en jeu dans le calorimètre :
Chaleur perdue par le Système 01 : Q1 = (m1.ce + CCal).(Tf – T1) ;
Chaleur pour élever la température de la glace de Tg à 0 °C : Q2 = (mg.cg).(o – Tg) ;
Chaleur de fusion de la glace à 0 °C : Q3 = mg.Lf ;
Chaleur pour élever la température de l'eau provenant de fusion de la glace de 0 °C à Tf : Q4 = (mg.ce).(Tf – 0)

Dans un système isolé
Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 0
(m1.ce + CCal).(Tf – T1) + (mg.cg).(o – Tg) + mg.Lf + (mg.ce).(Tf – 0) = 0
Lf = - [(m1.ce + CCal).(Tf – T1) + (mg.cg).(o – Tg) + (mg.ce).(Tf – 0)] / mg

Tel que :
m1 est la masse de l'eau (en kg)
mg est la masse de la glace (en kg);
T1 est la température du système 01 (en K);
Tg est la température du système 02 (en K);
Tf est la température à l'équilibre thermique (en K);
ce est la chaleur spécifique de l'eau ou la chaleur qu'il doit fournir à l'unité de masse de l'eau pour élever sa température de 1 °C (en j / kg.K) ;
cg est la chaleur spécifique de la glace ou la chaleur qu'il doit fournir à l'unité de masse de la glace pour élever sa température de 1 °C (en j / kg.K) ;
CCal est la capacité calorifique du calorimètre (en j / K) ;
Lf est la chaleur latente de fusion de la glace (en j / kg).

A.N :
Lf = - [(200.10-3. 4190 + 79,81).(6 – 50) + (100.10-3.2090).(o + 1) + (100.10-3.4190).(6 – 0)] / 100.1O-3

Lf = 3,76.105 j / kg

La chaleur latente de fusion de la glace est positive, implique que la glace absorbe une quantité de chaleur pour changer son état physique (passage d'un état physique solide à un état physique liquide), et onremarque que la chaleur latente de fusion de la glace est pratiquement égale à la chaleur latente de l'eau pure, car l'eau de robinet contient des anions, des cations, des gaz dissous, des matières en suspension (sables…) et parfois des bactéries, qui influences sur la rupture ou l'établissement de liaisons interatomiques ou intermoléculaires.

5.La chaleur latente de solidification (Ls) : (02)
On sait que la solidification est le passage d'un état physique liquide à un état physique solide, c'est le sens inverse de la fusion, donc dans ce cas la chaleur latente de solidification est égale à la chaleur latente de fusion mais en valeur négative : Ls = - Lf

Ls = - 3,76.105 j / kg

Le système dégage la chaleur.

6.Le tableau de données :


Masse (kg)


T (°C)


Calcul


L'échantillon de glace


mg = 0,1


Tg = - 1


-


Calorimètre


-


-


CCal = 79,81 J / k


L'eau froide


m1 = 0,1


T1 = 29


-


L'eau chaude


m2 = 0,1


T2 = 75


-


Mélange de l'eau dans le calorimètre


-


Tf = 50


-


Mélange de l'eau et de la glace dans le calorimètre


-


Tf = 6


-


Chaleur latente de fusion de la glace


-


-


Lf = 3,76.105 j / kg


Chaleur latente de solidification de l'eau


-


-


Ls = - 3,76.105 j / kg





CONCLUSION GENERALE :
Dans le cas où se produit un changement d'état, on peut déterminer par calorimétrie la chaleur latente de changement d'état L.

La présence (05)
La présentation de TP (02)