Mesure du volume d'un gaz pression atmosphérique en fonction de la température Détermination expérimentale du zéro absolu

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Niveau: Secondaire, Lycée, Première
Mesure du volume d'un gaz, à pression atmosphérique, en fonction de la température. Détermination expérimentale du zéro absolu. Auteur : Dr. Wulfran FORTIN Professeur Agrégé de Sciences Physiques TZR - Lycée Lavoisier – Mulhouse. Résumé : Ce T.P. met en évidence la relation linéaire entre le volume d'un gaz à pression constante, et sa température. En extrapolant cette évolution linéaire vers un volume nul, on peut déterminer la valeur du zéro absolu de l' échelle des températures en degré Celsius. Ce T.P. a été testé en 1ère STL option Chimie, mais peut être utilisé dès la seconde générale (3ème trimestre, loi des gaz parfaits) I Objectif : 1- Mesurer V = f(T) à pression constante avec un matériel de laboratoire standard 2- Mise en évidence de la validité de la loi des gaz parfaits. 3- Après régression linéaire, déterminer expérimentalement la valeur du zéro absolu pour la température. 4- Utilisation d'un tableur pour modéliser une droite. II Organisation de la séance de TP : Pour 16 élèves, 4 postes de travail et autant de postes informatiques avec une imprimante Répartition du travail entre les élèves : E1 : note les résultats. E2 : mesure le volume. E3 : agite l'eau, ajoute la glace. E4 : contrôle la stabilité de la température. Temps de réalisation et exploitation : 2 heures.

  • températures sur les graphes

  • poste de travail

  • seringue

  • volume

  • seringue pendant la manipulation

  • pipette graduée

  • régression linéaire

  • pipette


Publié le : mercredi 30 mai 2012
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I
II
Mesure du volume d'un gaz, à pression atmosphérique, en fonction de la température.
Détermination expérimentale du zéro absolu.
Auteur :
Dr. Wulfran FORTIN
Professeur Agrégé de Sciences Physiques
TZR - Lycée Lavoisier – Mulhouse.
Résumé :
Ce T.P. met en évidence la relation linéaire entre le volume d'un gaz à pression constante, et sa température. En extrapolant cette évolution linéaire vers un volume nul, on peut déterminer la valeur du zéro absolu de l' échelle des températures en degré Celsius.
Ce T.P. a été testé en 1ère STL option Chimie, mais peut être utilisé dès la seconde générale (3ème trimestre, loi des gaz parfaits)
Objectif :
1- Mesurer V = f(T) à pression constante avec un matériel de laboratoire standard
2- Mise en évidence de la validité de la loi des gaz parfaits.
3- Après régression linéaire, déterminer expérimentalement la valeur du zéro absolu pour la température.
4- Utilisation d'un tableur pour modéliser une droite.
Organisation de la séance de TP :
Pour 16 élèves, 4 postes de travail et autant de postes informatiques avec une imprimante
Répartition du travail entre les élèves :
E1 : note les résultats.
E2 : mesure le volume.
E3 : agite l'eau, ajoute la glace.
E4 : contrôle la stabilité de la température.
Temps de réalisation et exploitation :2 heures.
1/8
III
Schéma de l'expérience :
Matériel :
un bac à eau (utilisé normalement pour le principe fondamental de l'hydrostatique) pipette graduée de 2mL éprouvette de 250mL 70cm tuyau de de long 100mL seringue de (matériel de physique, T.P. De seconde P.V = constante )
deux noix de chimie (lest à accrocher à chaque extrémité de la seringue, permet aussi de fixer le thermomètre contre la seringue)
thermomètre numérique au dixième.
Baguette de verre
eau du robinet
glace.
Schéma :
Protocole :
Régler la hauteur de la pipette graduée : Niveaux identiques = pressions identiques
pipette graduée de 2 mL
DV
Eau à 22°C environ + glace ajoutée progressivement + agitation
q
V = 100 mL o
Glace + agitateur
remplir le bac avec de l'eau pour recouvrir la seringue ( la seringue)
2/8
1cm
d'eau au dessus de
Interprétation :
On réalise une régression linéaire à l'aide d'un tableur (EXCEL dans mon cas)
3/8
Aider les élèves pour le traçage des courbes (la partie régression linéaire notamment)
V=0mL
Donc , comme nous travaillons à pression constante : n.R n.R V=..273 ,13 P P
b  = =−273,13° C o a
P.V=n.R.T
Le brassage de l'eau doit être régulier et non violent pour ne pas perturber la seringue et la sonde de température.
régler le niveau d'eau dans la pipette de telle façon à être vers (on aspire ou repousse l'air dans la pipette grâce à la seringue)
On s'arrête quand la pipette est presque pleine (le gaz s'étant contracté à cause de la baisse de température, l'eau est aspirée dans la pipette) Vo On mesure ensuite le volume d'air dans la seringue ( ) en lisant la contenance sur le corps de la seringue. e total (= V) en fonction de V Vo On trace ensuite le volum la température
1,8mL
ensuite, ajouter progressivement la glace, en laissant le bain s'équilibrer en température, en agitant l'eau.
au départ
remplir l'éprouvette
loi des gaz parfaits :
Grâce à la modélisation, on recherche la température permettant d'annuler le volume. C'est le zéro absolu.
alors
à identifier à :
T=273,13
V=a.b
Précautions :
Ne plus toucher à la seringue pendant la manipulation (on la chaufferait avec les mains).
Donc si
Dire aux élèves de bien ranger leur cours sous peine de le voir se transformer en aquarelle bleue non figurative suite à la chute de l'éprouvette remplie d'eau (vérifié expérimentalement, c'est très joli).
Pour lire la valeur du nouveau volume de gaz, il faut déplacer la pipette vers le haut ou le bas de façon à ce que les niveau d'eau dans la pipette et à l'extérieur de la pipette aient la même altitude (voir schéma ci dessus)
échelle de température :
IV
V
VI
pour une séance de TP en seconde générale, prévoir de réaliser l'exploitation en classe entière après le T.P. (1h20 serait insuffisant je pense)
Améliorations possibles
Une des sources d'erreurs est l'imprécision de la valeur du volume dans la seringue et dans le morceau de tube plongés dans l'eau.
V o
 de l'air compris
On pourrait donc utiliser de vieux tubes à gaz très épais , en les bouchant définitivement avec un couvercle muni d'une prise d'air, et dont on aura mesuré le volume (en les remplissant d'eau et en les pesant par exemple)
On utilisera également des pipette graduées de contenance plus élevée, mais la variation de 3° C température devra être plus conséquente (ici, une variation de était suffisante, on utilise l'eau du robinet qui est refroidie avec de la glace ensuite)
Exemples de résultats
Séance du 9 novembre 2006 , 1ère STL option Chimie, Lycée Lavoisier, 30 élèves, 8 groupes de 3 à 4 élèves (séance de deux heures, par demi classe)
Mesure du zéro absolu :
Valeur Moyenne sur 8 mesures :
0=−260° C
écart de 5%
voir le détail des 8 mesures des élèves ci dessous
(j'ai retracé les graphes à partir de leurs données pour standardiser la présentation. Les températures sur les graphes sont en °C)
Conclusion :
Ce montage est simple à mettre en oeuvre, le matériel étant standard.
Il permet de faire travailler les élèves en équipes de 4, et chaque membre de l'équipe a un rôle à tenir sous peine de faire rater l'expérience.
On utilise l'ordinateur pour son vrai usage : le calcul (« computer ») , et on sépare mieux ainsi l'aspect sciences physique et technologie informatique dans l'expérience, comme dans les vrais laboratoires scientifiques.
Il faut veiller cependant à faire le geste technique de la mesure à réaliser devant les élèves
Avoir quatre postes de travail permet de bien suivre les mesures chez les élèves. Augmenter le nombre de postes est peu-t-être risqué pour le matériel et rend la séance plus difficile à gérer.
4/8
77,5
77,6
18
17
84,7 84,6 84,5 84,4 84,3 84,2 84,1 84,0 83,9 83,8 83,7 83,6 83,5 83,4 83,3 83,2 16
77,7
77,8
;
5/8
;
76,8
77,3
77,2
77,1
76,9
77,0
V=0,285×71,385
19,5
Résultats du groupe 2 :
19
76,7 18,5
0=−251° C
22,5
21,5
22
20 20,5 21 T (°C)
Résultats du groupe 1 :
77,4
19 T (°C)
21
20
V=0,2907×78,451
22
0=−270° C
88,8
V=0,3562×76,5
83,9 83,8 83,7 83,6 83,5 83,4 83,3 83,2 83,1 83,0 82,9 82,8 82,7 82,6 82,5 82,4 82,3 82,2 16
V=0,3687×82,63
16,5
Résultats du groupe 4 :
20
21
17,5 T (°C)
18
18,5
19
 =−224° C 0
6/8
;
 =−215° C 0
89,6 89,5
89,7
89,2
89,1
89,4
89,3
;
17
17
Résultats du groupe 3 :
18 19 T (°C)
88,7
88,9
89,0
88,6 88,5 16
Résultats du groupe 5 :
100,0 99,9 99,8 99,7 99,6 99,5 99,4
99,3 99,2 99,1 99,0
98,9 98,8 98,7 20 20,5 21 21,5 T (°C) V=0,4621×109,26
Résultats du groupe 6 :
97,05 97 96,95 96,9 96,85 96,8 96,75 96,7 96,65 96,6 96,55 96,5 96,45 96,4 96,35 96,3 96,25 96,2 96,15 96,1 18,5
22
;
22,5
23
0=−236° C
19 19,5 20 20,5 21 T (°C) V=0,42×88,29;0=−210° C
7/8
20
0=−293° C
21
21
19 20 T (°C)
22
23
;
8/8
18
17
;
 =−379° C 0
16
Résultats du groupe 7 :
V=0,1992×75,491
Résultats du groupe 8 :
V=0,2996×87,742
18 T (°C)
19
93,9 93,8 93,7 93,6 93,5 93,4 93,3 93,2 93,1 93,0 92,9 92,8 92,7 92,6 92,5 92,4 15
79,8 79,7 79,6 79,5 79,4 79,3 79,2 79,1 79,0 78,9 78,8 78,7 78,6 78,5 78,4 15
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