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TP : Mesures des capacités thermiques massiques du fer et de la pierre
(Livre p.72)Matériel pour chaque poste : – Un chauffage – Un bécher de 500 mL – Une éprouvette graduée 500mL – Un thermomètre digital
– Une balance de précision – Un calorimètre – Une pince
– Un morceau de fer, une pierre
1. Problématique
Pour accumuler l’énergie entrant dans une maison, on construit des murs en pierre ou en brique.
Pourraiton choisir un autre matériau, l’acier par exemple ?
2. Questions préliminaires
1. Lorsque la température d'un corps solide ou liquide varie d'une valeur initiale θi à une valeur finale θf , la quantité de chaleur Q transférée à ce corps est proportionnelle à l'écart de température et à la masse du corps : Q = ΔU = c . m . ( θf – θi )
Si on fournit une énergie thermique à de l'eau (masse m et température θ1) contenue dans un calorimètre , la température de l'eau s'élève.
Quelle relation permet de relier la variation de l'énergie interne ΔUe de l'eau à la variation de température Δθ ?
2. Si on plonge dans cette eau, un morceau de fer chaud (masse m' et température θ2) la température du fer diminue jusqu'à atteindre une température θf, tandis que la température de l'eau s'élève jusqu'à la même valeur θf.
a La variation d'énergie interne de l'eau est noté Δue , celle du fer Δufer. Puisque le calorimètre est isolé, on peut écrire Δue + Δufer = 0 (En faisant l'approximation que l'isolation du calorimètre est parfaite ce qui dans la réalité est loin d'être le cas ici...)
Ecrire la relation entre m, m', ceau, cfer, θ1, θ2 et θf qui est la température d'équilibre.
b Montrer que : cfer=ceau.m
m ' .(θf−θ1) (θ2−θf)
c Quelle est l'unité de la capacité thermique massique ?
3. Réalisation expérimentale
a) Mesure de la capacité thermique massique du fer Mise en place d'un protocole
En observant le matériel mis à votre disposition :
– Décrire la façon de procéder pour obtenir 400g d'eau
– Décrire la façon de procéder pour porter le cylindre de fer à 100 °C – Présenter l'expérience (le protocole) que vous aller réaliser.
– Après validation par le professeur, réaliser l'expérience et compléter le tableau suivant :
m (kg) m’ (kg) θ1 (°C) θ2 (°C) θf (°C) θf − 1 (°C) θ θ2 – θf (°C)
b) Mesure de la capacité thermique massique de la pierre
Refaire les même mesures pour mesurer la capacité thermique massique d'une pierre
m (kg) m’ (kg) θ1 (°C) θ2 (°C) θf (°C) θf − 1 (°C) θ θ2 – θf (°C)
4. Exploitation des expériences
On donne la capacité thermique de l'eau : ceau = 4180 J.kg1.°C1. a Calculer cfer à partir de la relation donnée à la question 2b.
b Calculer de même cpierre , la capacité thermique massique de la pierre.
c Comparer les résultats obtenus pour les différentes substances.
d Répondre à la problématique initiale de ce TP.
Quelle est l'autre raison (d'ordre économique) pour laquelle on préfère un matériau à l'autre ?
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