Travaux Pratiques - Thermodynamique - 1ère année de CPGE scientifique, voie PCSI, Calorimétrie : méthode des mélanges

Nathalie Van De Wiele

Description

Série de travaux pratiques de thermodynamique basée sur le programme de physique de 1ère année de CPGE voie PCSI en vigueur de 1995 à 2003 (le découpage correspond à des séances de deux heures chacune). Ce module est composé de 2 TP : (1) Calorimétrie : méthode des mélanges (2) Etude du changement d'état d'un corps pur

Sujets

• Classe préparatoire aux grandes écoles
• Cours
• Public Readiness and Emergency Preparedness Act
• exercices

Informations

• Publié par: travaux-pratiques-cpge
• Publié le: 01 janvier 2008
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• Licence : En savoir +
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• Langue: Français

Extrait

Nathalie Van de Wiele - Physique Sup PCSI - Lycée les Eucalyptus - Nice 1 TP 25 TP N 25 : CALORIMETRIE : METHODE DES MELANGES °   I. Préambule.    Ce TP utilise une sonde de température réalisée à l’aide d’un montage électronique utilisant une diode Zener LM 335 aux bornes de laquelle la tension V varie linéairement avec la température ; le montage comporte un potentiomètre qui doit être réglé de façon à ce que V = 2,73 V pour T = 273 K . Plonger la sonde dans un bécher de 500 mL contenant un mélange eau - glace à 0 °C (vérifier cette température à l’aide d’un thermomètre : le 0 °C est souvent long à atteindre) et régler le potentiomètre à l’aide de la vis pour qu’un voltmètre aux bornes de la diode affiche 2,73 V (relier la sonde à l’interface de l’ordinateur, utiliser le logiciel Synchronie, bouton systèmematériel tester).   II. Mesure de la capacité thermique du cuivre.    1. Principe.   Un calorimètre à vase Dewar, de valeur en eaum m, contient une masse e  d’eau à la température T 1 . L’introduction d’un échantillon de cuivre de masse m Cu  à la température T 1 ’ provoque une variation de la température de l’eau que l’on suit en fonction du temps avec la sonde de température relié e à l’interface d’un ordinateur utilisant le logiciel Synchronie. On accède à la mesure de la capacité thermique massique du cuivre dont la valeur lue dans des tables est c Cu = 0,388 kJ.K -1 .kg -1  dans le domaine de température considéré.   2. Choix des paramètres, pertes thermiques.   La valeur en eau du calorimètre est donnée (mde température considéré) ; on choisit une quantité d’eau juste le domaine  dans= 21,2 g suffisante pour recouvrir le solide, soit m e = 260 g ; la masse de l’échantillon est m Cu  ; la capacité thermique massique de= 175,7 g l’eau est c e = 4,18 kJ.K -1 .kg -1 dans le domaine de température considéré. On désire se placer dans le cas où la température T de l’eau reste toujours inférieure à la température ambiante de façon à ce que l’ensemble (calorimètre - eau contenue) se réchauffe par perte thermique de t 0  t à 1 , comme de t 2  t à 3  t, donc aussi de 1  à t 2  (voir le graphe linéarisé ci-dessous).  A l’instant t 1  on introduit l’échantillon dans l’eau à la  température T 1 .  T A l’instant t 2  les échanges thermiques entre l’eau et  l’échantillon ont cessé, la température commune de l’eau et de  l’échantillon est T 2 .  T 3  relevant la température de l’eau avant et après l’expérience ( En  T 2  T 0  t à l’instant 0  ; T 3  à l’instant t 3 ) on peut chiffrer les pertes  thermiques moyennes de l’ensemble (calorimètre eau -  contenue) avec l’extérieur entre les instant t 1  et t 2 .  Dans ce modèle linéarisé, la puissance moyenne de fuite vaut :  m e c e T T  T 1   · (+ m t ) 1 -t ( 0 1 - 0 t  de )    0  t à 1  ;  T 0  m e + mc e T 3 -T 2 )   · de t ( ) ( 2  à t 3  ;   t 3 -t 2    t 0  t 1  t 2  t 3  t·en moyenne, si t 1 - t 0 = t 3 - t 2 : T-T+T-T

1 0 3 2 ( m e +m) c e  t t  . 2 ( 1 - 0 ) La fuite thermique moyenne entre les instant t 1  t et 2  s’écrit alors : T 1 -T 0 +T 3 -T 2 Q P = ( m e +m) c e  2 ( t 1 -t 0 ) ( t 2 - t 1 ) = ( m e +m) c e  DT oùD t   t 2  = ( T 1 2 - -t t 1 0  T) ( 1 - T 0 + T 3 - T 2 ) . Le bilan thermiqueDH = Q P  entre t 1  et t 2  s’écrit alors :   ( m e +m) c e ( T 2 - T 1 ) + m Cu c Cu ( T 2 - T 1  ( m =’ ) e +m) c e  DT ( réchauffement par perte thermique). > 0 :   Notonsq i  T les températures en degrés Celsius correspondant aux températures i  en kelvins. Pour se placer dans les conditions du graphe ci-dessus on choisitq 0  de l’ordre de °C 10 utilisera de l’eau refroidie, placée au (on réfrigérateur) etq 1 ’ de 100 l’ordre de (attention, °C le four dans lequel on place le solide monte très rapidement en température). En effet, la valeur deq 2  estimée en négligeant les pertes thermiques, à l’aide de la valeur de la capacité thermique massique du cuivre donnée dans les tables, est alors de 15 °C < 22 °C (température ambiante). m e + mc e q 1 +m Cu c Cu q 1 ' (Calcul :q 2   (  = (m e + ) m) e + Cu Cu  ) C= 15 ° c m c On choisit t 1 - t 0 = t 3  t 2 = 10 min = 600 s . -