Activité : « Comment choisir le corps qui peut stocker le plus d’énergie ? »

1STL-TC Date :

Activité : « Comment choisir le corps qui peut stocker le plus d’énergie ? »

Thème du programme : Habitat Sous-thème : Gestion de l’énergie dans l’habitat

Type d’activités : Activité expérimentale

Pré-requis :

– Savoir exprimer la variation d’énergie interne d’un solide ou d’un liquide lors d’une variation de tem- pérature.

– Connaître la capacité thermique massique.

Extrait BOEN :

– Énergie interne, température.

– Capacité thermique massique.

– Caractéristiques thermiques des matériaux.

Compétences attendues :

– Associer l’échauffement d’un système à l’énergie re- çue, stockée sous forme d’énergie interne.

– Réaliser expérimentalement le bilan thermique d’une enceinte en régime stationnaire.

– Mesurer l’énergie échangée par transfert ther- mique.

I. Détermination de la capacité thermique C d’un calori- mètre

Pour toute manipulation utilisant un calorimètre, il est nécessaire de connaître sa capacité thermique C, c’est-à- dire la chaleur qu’il faut lui fournir pour élever sa température de 1°C.

1. Protocole expérimental

• Peser le calorimètre et ses accessoires. Noter sa masse m.

• Introduire, dans le calorimètre, une masse m

' 200 g d’eau. Le calorimètre sera remis sur la balance pour déterminer précisément la masse d’eau introduite. Noter m

.

• Après quelques instants, relever la température θ

de l’ensemble.

• Ajouter une masse d’eau m

' 160 g à la température θ

> θ

( θ

' 70 à 80°C). Noter θ

.

• Agiter doucement et relever la température d’équilibre θ

.

• Peser enfin le calorimètre et son contenu pour déterminer la masse exacte d’eau chaude m

introduite. Noter m

.

2. Exploitation des résultats

Le système considéré est : ( le calorimètre + l’eau ) ; ce système n’échange aucune chaleur avec l’extérieur.

1. Donner l’expression de la quantité de chaleur Q

reçue par l’eau froide.

2. Donner l’expression de la quantité de chaleur Q

reçue par le calorimètre.

3. Donner l’expression de la quantité de chaleur Q

cédée par l’eau chaude.

4. Quelle est la relation qui lie Q

, Q

et Q

?

5. À partir de la relation ci-dessus, montrer que l’expression de la capacité thermique du calorimètre et de ses accessoires est :

C = m

.c

.(θ

− θ

)

(θ

− θ

) − m

.c

6. Calculer C avec les valeurs expérimentales relevées. Bien préciser l’unité employée.

Donnée : c

= 4,18.10

J.kg

.K

Souvent, au lieu de donner la capacité thermique du calorimètre, on donne la masse d’eau qui aurait la même capacité thermique et on l’appelle "valeur en eau du calorimètre".

Par exemple, un calorimètre ayant une valeur en eau µ = 20 g a une capacité thermique : C = 4,18.10

× 20.10

= 83,6 J.K

.

7. Calculer la valeur en eau du calorimètre à votre disposition.

II. Détermination de la capacité thermique massique d’un solide

On se propose dans ce paragraphe de déterminer expérimentalement la capacité thermique d’un solide.

Pour cela vous disposez du matériel suivant : – 1 calorimètre

– 1 bécher – Eau

– 1 thermomètre

– 1 balance précise au 1/10ème – 1 pince

– 1 dispositif de chauffage

– cylindre en laiton, en aluminium

1. Décrire la façon de procéder pour porter le cylindre de laiton à 100°C.

2. Proposez un protocole expérimental et faites le valider par votre professeur avant de procéder à l’expérience.

3. Réaliser l’expérience et compléter le tableau suivant avec m (masse d’eau introduite dans le calorimètre ' 350 g) à la température θ

, m’ la masse du cylindre en laiton à la température θ

, µ la valeur en eau du calorimètre et θ

la température à la fin de l’expérience.

m ( kg ) µ ( kg ) m’ ( kg ) θ

(°C) θ

(°C) θ

(°C) θ

- θ

θ

- θ

4. En vous aidant du I, dresser un bilan énergétique et montrer que la capacité thermique massique du laiton est donnée par la relation :

c

= (m + µ).c

.(θ

− θ

) m

.(θ

− θ

5. Calculer la capacité thermique massique du laiton.

6. Comparer à la valeur théorique : c

= 377 J.kg

.K

.

7. Procéder de la même façon pour l’aluminium. Calculer c

. Comparer à la valeur théorique : c

= 897 J.kg

.K

.

8. Entre le laiton et l’aluminium, quel est le corps qui peut stocker le plus d’énergie ?