TP L3 Physique Plate forme TTE C E S I R E Université Joseph Fourier Grenoble

Joseph Fourier Grenoble

Description

Niveau: Supérieur, Licence, Bac+3
TP - L3 Physique - Plate-forme TTE - C.E.S.I.R.E. - Université Joseph Fourier - Grenoble CHALEURSPÉCIFIQUE, TRANSITIONSDE PHASES BUT DU T.P Lors d'un changement de phase, les propriétés physiques d'un corps subissent une discontinuité et en particulier sa chaleur spécifique. La mesure de la chaleur spécifique fournit donc un excellent moyen de mettre en évidence les transitions de phase à l'état solide (par exemple transition supraconductrice, transition ferromagnétique, transition cristallographique, etc...). C'est ce que nous allons faire dans ce T.P. La notation (? doc) signifie « Allez consultez le document annexe : topo sur le transfert de chaleur et/ou documents techniques sur la table du TP ». 1. INTRODUCTION Si l'on chauffe un corps, on lui fournit de la chaleur et sa température s'élève ; il restitue cette chaleur si l'on abaisse sa température. Le corps a donc une certaine capacité thermique. Cette capacité thermique est le produit de la masse du corps par sa chaleur spécifique. La chaleur spécifique reflète l'aptitude d'un corps à s'échauffer lorsqu'on lui fournit de l'énergie. Elle dépend de la température. Elle tend vers zéro si la température tend vers zéro et tend vers une valeur à saturation à haute température (voir la loi de Dulong et Petit pour les gaz).

• topo sur le transfert de chaleur


• fuites thermiques


• transition ferromagnétique


• corps


• courant dans rc


• thermomètre


• chaleur spécifique

Sujets

• Thermomètre
• Capacité thermique massique

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Extrait

TP-L3Physique-Platef-ormeTTE-.CE.S.I.R.E.-UnviersitéJosephFourier-Grenoble

CHALEURSPCÉFINSIOITNSDET,ARQEU PHASES

B UT DU T.P Lors d’un changement de phase, les propriétés physiques d’un corps subissent une discontinuité et enparticuliersachaleurspécique.Lamesuredelachaleurspéciquefournitdoncunexcellentmoyen demettreenévidencelestransitionsdephaseàl’étatsolide(parexempletransitionsupraconductrice, transitionferromagnétique,transitioncristallographique,etc...).C’estcequenousallonsfairedansce T.P. La notation ()codrtfensraeualchderczolendslulletzeenet«aAoicgunmi:eost)nnxelrteopus et/oudocumentstechniquessurlatableduTP».

1. I NTRODUCTION Si l’on chauffe un corps, on lui fournit de la chaleur et sa température s’élève ; il restitue cette chaleur si l’on abaisse sa température. Le corps a donc une certaine capacité thermique. Cette capacité thermique estleproduitdelamasseducorpsparsachaleurspécique.Lachaleurspéciquereètel’aptituded’un corpsàs’échaufferlorsqu’onluifournitdel’énergie.Elledépenddelatempérature.Elletendverszéro silatempératuretendverszéroettendversunevaleuràsaturationàhautetempérature(voirlaloide DulongetPetitpourlesga)z. Danslessolides,onpeutmettreenévidenceplusieurscontributionsàlachaleurspécique:vibrations du réseau, contribution des électrons, contribution du moment magnétique des atomes, etc...

2. P RINCIPE DE LA MESURE Pardénition,lachaleurspéciqued’uncorpsestC(=lim4Q=4T),4Qest la chaleur fournie ¢T!0 au corps et4Tsa variation correspondante de température. Sil’onutiliselaméthodeadiabatique,lamesuredelachaleurspéciqueestdoncenprincipesimple: on fournit une quantité d’énergie à un corps et on mesure la variation de température correspondante. Onrappellequ’adiabatiquesigniesanséchanged’énergieavecl’extérieur(transformationadiabatique parexemple).Danslecasdelamesuredelachaleurspécique,onfournitvolontairementunecertaine quantitéd’énergieconnueàuncorps.Adiabatiquesigniedanscecasquelecorpsva"absorber"toute l’énergiequ’onluicommuniqueravolontairementetseulementcelle-là,sansen"rejeter"nien"recevoir" d’autre de l’extérieur. On parlera par la suite de conditions adiabatiques ou d’adiabaticité. Enpratique,lesmesuresdechaleurspéciquesontdesmesuresdifcilespourlesraisonssuivantes: –Lachaleurspéciquen’étantpasconstantesurdegrandsintervallesdetempérature,laquantité4T devraêtrepetite(typiquementquelquesdende TnscoueéqEn).étntiqaaucnle4Qdêtreevra égalementpetiteetmesuréeavecuneprécisionsufsante. – Laquantité4Tsparetiteemaisdevraégalemneêtrtmeserueévaréepunecsuonsici,etnasfùo’d la nécessité d’avoir un thermomètre sensible et très bien étalonné. –Ondevra,pourserapprocherlepluspossibledesconditionsadiabatiques,s’assurerquecetteéner- gieestbiencommuniquéeàl’échantillonetnonpasperdueenpartiedansl’environnementàtravers lesdifférentes"fuitesthermiques"inhérentesàtoutsystèmephysique.Demême,ondevras’assurer que l’échantillon ne reçoit pas d’énergie parasite de l’extérieur. – Ilfaut assurer le meilleur couplage possible entre l’échantillon et le chauffage, ainsi qu’entre l’échan- tillonetlethermomètre,pourêtresûrquecederniermesurebienlatempératuredel’échantillon. –Enn,danslecasd’unemesureenlaboratoire,ilfautavoirmesuréavecprécisionlachaleurspéci- quedesaddenda(thermomètre,chauffage,colle,etc...)pourlessoustrairedesmesuresetobtenir 1

ainsilachaleurspéciquedel’échantillonseul.Cettecontribution,faiblelapluspartdutemps,n’est pas négligeable et il faudra en tenir compte lors des mesures. 3. R ÉALISATION PRATIQUE ()doc) On a donc trois quantités à mesurer : La température La variation de température –L’énergie fournie à l’échantillon Danscebut,sontxésàl’échantillon(voirleschéma): – Unthermomètre à résistance de Platine destiné à mesurer la températureTde l’échantillon et la variation de température4Tlors de l’échauffement. –UnerésistancechauffanteRcdestinée à fournir l’énergie4Qà l’échantillon. 0 L’adiabaticitén’étantjamaisparfaite,unecertainequantitéd’énergie4Qetsepdreudansl’environne- ment ou au contraire reçue en plus par l’échantillon. Pour diminuer cette quantité, on essaie de minimiser lespertesduesaux"fuitesthermiques"pourserapprocherlepluspossibledesconditionsadiabatiques. A cet effet, on minimise les pertes par : Conduction:L’échantillonestsuspendupardeslsdesuspensionnsetmauvaisconducteursther- miques(coton,nylon).LeslsdeconnexiondeRcduthetmètrermosrudnocetcuau,misvaonesnst thermiques(constantan)etancréssurune"massethermique". ¡6¡6 Convection:Onréaliseunvidesecondaire(P»10rorT= 10mmHg) dans la cellule de mesure. Rayonnement :Présence d’un piège à radiations dans le tube de pompage. L’échantillon est entouré d’un écran thermique dont on maintiendra la température égale à celle de l’échantillon. On utilise à cet effetunerégulationélectroniquePID(proportionnelle,intégrale,dérivée).Onestdoncamenéàxersur l’écran thermique un thermomètre pour mesurer sa température, ainsi qu’une résistance de chauffage. 0 Commeilestdifciled’évalueravecprécisionlaquantité4Q, on utilise une méthode de détermina- tiondelavariationdetempératuredite"méthodedel’égalitédesaires"quipermet,mêmeenprésence de"fuitesthermiques"(pastropélevées),d’obtenirlavariationdetempérature4T viera que l’on aurait dans le cas adiabatique ()dco). Par effet Joule, on fournit à l’échantillon une quantité de chaleur :4Q=U I4toùUest la tension aux bornes deRc,Ile courant dansRcet4tla durée du chauffage. LachaleurspéciqueàlatempératureTest alors déterminée par C(T) =4=mQ ervia avecmmasse de l’échantillon. ¡1¡1¡1¡1 Les unités deCsont soitJelomK, soit le plus souventJ gKuqeitslpsuntlaar"p". 4. D ÉROULEMENT DE LA MANIPULATION 4.1.oi.ntntarésePDeux cellules calorimétriques sont disponibles. L’une contient un échantillon de terbium-zinc(TbZn),l’autreunéchantillondeKDP.Lemontageexpérimentalpermetd’effectuerdes mesuresdechaleurspéciqueentre77K(températuredel’azoteliquide)et300K. Ces deux échantillons subissent une transformation de phase solide-solide dans cet intervalle de tem- pératureetl’ons’intéresseraplusparticulièrementàlavariationdesachaleurspéciqueauvoisinage des températures de transition. Onexploreralazone180Kà220Kpourl’échantillonTbZn,etlazone100à140KpourleKDP. 4.2.sn.rPsieemniaarcpcodériuvtcrecnO.emmorecnnodativementcomplexeCTeP.e.tseralmo- prendre quelles fonctions remplissent les divers appareils : mesure de la puissance fournie, de la tempé- raturedel’échantillon.Ensuite,poursefamiliariseraveclatechniquedemesure,oneffectueraquelques mesuresàtempératureambiante.Unefoislatechniquedemesuremaîtrisée,onprocèderaaurefroidis- sement de l’échantillon et on effectuera quelques mesures à basse température en utilisant la régulation de température de l’écran. 4.3.dereducéroP.tnemessidiorferre,mesulscadenaeledleulalisirrésavoAprèadricenodiseuévn onplongecelle-cidansl’azoteliquideetsaparoiextérieuresethermaliserapidementà77K.An d’amenerl’échantillonàlatempératuredésirée,onintroduitdanslacelluleunefaiblequantitéd’azote trèspur(pourenfaciliterlepompageultérieur).Leséchangesparconvectionentrelaparoiextérieure 2