Première S Activité expérimentale : Energie de fusion de l'eau.
Contexte :
L’énergie de fusion appelée aussi chaleur latente de fusion est l'énergie absorbée sous forme de chaleur par un corps lorsqu'il passe de l'état solide à l'état liquide à température et pression constantes. Cette énergie est
rapportée à l'unité de masse (J.kg-1) pour permettre les comparaisons entre différentes espèces chimiques. De
très nombreux domaines nécessitent la prise en compte de cette énergie. Par exemple, la chaleur latente de fusion de la banquise joue un rôle très important dans la météo mondiale.
Comment déterminer l’énergie de fusion de l’eau ? Documents à votre disposition :
Information 1 : l’énergie thermique échangée entre un corps chaud et un corps froid
L’énergie thermique échangée par un corps pur de masse m qui passe d'une température initiale i à une
température finale f sans changer d’état physique est proportionnelle à la masse et à la différence de
température. Cela se traduit par la relation :
f i
C m
Q
Q est l’énergie thermique échangée en Joule.
C la capacité calorifique massique du corps pur en J.kg-1.°C-1 (c’est l’énergie à fournir pour élever de
1°C la température de 1 kg de ce corps).
Lorsqu’on met en contact un corps chaud et un corps froid, il se produit un transfert d’énergie thermique. Le corps chaud cède de l’énergie au corps froid jusqu’à ce que les deux corps soient à la même température appelée température d’équilibre.
Le corps chaud perd de l’énergie donc Qperdue< 0 et le corps froid gagne cette énergie donc Qreçue= - Qperdue> 0
Information 2 : les capacités calorifiques massiques de l’eau et de l’aluminium
C(eau liquide) = 4,18.103 J.kg-1.°C-1 ; C(glace) = 2,06.103 J.kg-1.°C-1 ; C(aluminium) = 0,90.103 J.kg-1.°C-1
Information 3 : que se passe-t-il au niveau microscopique lorsqu’on apporte de l’énergie sous forme de chaleur ?
Lorsqu’on apporte de l’énergie sous forme de chaleur à un corps deux situations sont à distinguer.
Situation 1 : Au niveau microscopique, l’énergie fournie permet une augmentation de l'agitation thermique : la vitesse de déplacement des particules (atomes, molécules ou ions) augmente. Cela se traduit au niveau macroscopique par une augmentation de la température du corps.
Situation 2 : Au niveau microscopique, l’énergie fournie permet de rompre les interactions entre atomes, molécules ou ions, les entités se « détachent » les unes des autres. Cela se traduit au niveau macroscopique par un changement d’état à température constante.
Information 4 : le calorimètre
Un calorimètre est un appareil destiné à mesurer les échanges d'énergie. Du fait de la présence de polystyrène (isolant thermique) autour du vase calorimétrique, on peut faire l’hypothèse qu'il n'y a pas d'échange d'énergie avec le milieu extérieur.
Travail à effectuer
1- Suivre un protocole expérimental(30 min conseillées)
Le tableau ci-dessous est à compléter au fur et à mesure.
Corps Capacité calorifique massique C en J.kg-1.°C-1 Masse en kg en °Ci f en °C Énergie échangée Q
f i
C m Q en Jeau liquide Qeau =
aluminium Qalu =
glaçons 0 Qgla1 =
glaçons en fusion (changement d'état) 0 0
glaçons fondus 0 Qgla2 =
Peser avec précision la masse malu du compartiment intérieur en aluminium du calorimètre vide et de
l'agitateur.
Ajouter environ 200 mL d'eau distillée dans le compartiment intérieur du calorimètre.
Déterminer par pesée, la masse d'eau liquide meau ajoutée dans le calorimètre.
Assembler et fermer le calorimètre.
Noter la température i1 de l'eau et du vase calorimétrique après stabilisation.
Prélever deux ou trois glaçons d'eau distillée placés à i2 = -17,2°C (température du congélateur).
Les introduire rapidement dans le calorimètre.
Relever régulièrement la température de l'eau en agitant de temps en temps de manière à connaître la
température minimale atteinte par le mélange. Noter la température finale atteinte par le milieu f.
Une fois cette température finale atteinte, peser la masse du compartiment intérieur du calorimètre avec
l'eau pour déterminer la masse des glaçons mglac.
Finir de compléter le tableau en calculant les énergies échangées par les différents corps.
2- Interpréter (30 min conseillées)
Parmi les différents corps en contact, identifier les corps chauds et le corps froid.
En utilisant les valeurs du tableau, calculer l'énergie perdue par l’ensemble des corps chauds : Qperdue
En déduire l'énergie totale reçue par le corps froid : Qreçue
Utiliser l’information 3 pour trouver à quoi a servi l'énergie totale reçue par le corps froid : Qreçue
En déduire à quoi a servi la différence d'énergie Qreçue - Qgla1- Qgla2
Calculer cette énergie Qreçue - Qgla1- Qgla2
Rapporter cette énergie à l’unité de masse pour calculer l’énergie massique de fusion de l’eau notée Lexp.
Préciser son unité.
3- Valider (20 min conseillées)
Comparer votre valeur de Lexp à celle des autres groupes et les relever dans un tableau.
Groupe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Moyenne
Lexp
Justifier que l'on retienne pour valeur la moyenne des valeurs Lexp obtenues.
Calculer cette moyenne.
La valeur que l’on trouve dans les tables est : Lthéo = 3,3.105 J.kg-1.
Comment expliquer la différence ? Calculer l'écart relatif.
écart(en%) Lthéo Lexp
Lthéo 100
Établissez une liste des causes d’incertitudes dans le protocole expérimental.
resultats :
temp glace = -17,2°
tempinitiale =17,0°
Tempfinale = 2°
malu = 38,22g
malu+eauliq = 140,80g
mf(eau +alu+glace) = 167,45g
donc mglace = 26,65g
Qeau = -6346 J
Qalu = -509 J
Q glace1 = 1482 J
Q glace2 = 223 J
Donc au final mLf = Qglace1+Qglace2 -Qeau-Qalu = 2,1.105 J.kg-1
soit un ecart relatif de 35%
A retenir
Un transfert thermique provoque soit une variation de température soit un changement d'état. Q = énergie thermique transférée (en J),
Si Q > 0 énergie reçue par le système Si Q < 0 énergie perdue par le système
Variation de température Changement d'état
Description macroscopique
Q = m.c.(Tf -Ti)
m : masse en kg du système T : température en K
C : capacité thermique massique J.kg-1.K-1
Q = m.L m : masse en kg du système
L : énergie massique de changement d'état (chaleur latente)
Description microscopique
Faible augmentation ou faible diminution du désordre avec changement de la vitesse d'agitation des molécules.
Forte augmentation ou forte diminution du désordre.
Il faut donc réaliser les calculs d'énergie thermique transférée après avoir défini le système étudié et en précisant l'état physique dans lequel il se trouve.
exemple : Calculer l'énergie thermique à fournir à une masse m d'eau pour passer de -10°C à 60°C.
système : l'eau solide (glace) : énergie thermique transférée correspondant à la variation de température de l'eau solide entre -10°C et 0°C
changement d'état (T = 0°C)
système : l'eau liquide : énergie thermique transférée correspondant à variation de température de l'eau liquide entre 0°C et 60°C.
A retenir
Un transfert thermique provoque soit une variation de température soit un changement d'état. Q = énergie thermique transférée (en J),
Si Q > 0 énergie reçue par le système Si Q < 0 énergie perdue par le système
Variation de température Changement d'état
Description macroscopique
Q = m.c.(Tf -Ti)
m : masse en kg du système T : température en K
C : capacité thermique massique J.kg-1.K-1
Q = m.L m : masse en kg du système
L : énergie massique de changement d'état (chaleur latente)
Description microscopique
Faible augmentation ou faible diminution du désordre avec changement de la vitesse d'agitation des molécules.
Forte augmentation ou forte diminution du désordre.
Il faut donc réaliser les calculs d'énergie thermique transférée après avoir défini le système étudié et en précisant l'état physique dans lequel il se trouve.
exemple : Calculer l'énergie thermique à fournir à une masse m d'eau pour passer de -10°C à 60°C.
système : l'eau solide (glace) : énergie thermique transférée correspondant à la variation de température de l'eau solide entre -10°C et 0°C
changement d'état (T = 0°C)
système : l'eau liquide : énergie thermique transférée correspondant à variation de température de l'eau liquide entre 0°C et 60°C.
