Activité : « Comment un corps peut-il stocker de l’énergie ? »
Thème du programme : Habitat Sous-thème : Gestion de l’énergie dans l’habitat -
L’éclairage Type d’activités : Activité documentaire, Activité ex-
périmentale, Point cours Pré-requis : Exprimer l’énergie électrique consommée
(et fournie) par une résistance électrique.
Extrait BOEN :
– Énergie interne, température – Capacité thermique massique
Compétences attendues :
– Associer la température à l’agitation interne des constituants microscopiques.
– Associer l’échauffement d’un système à l’énergie re- çue, stockée sous forme d’énergie interne.
– Exprimer la variation d’énergie interne d’un solide ou d’un liquide lors d’une variation de température.
– Définir la capacité thermique massique.
Extrait BOEN :
Caractéristiques thermiques des matériaux
– Prévoir le sens d’un transfert thermique entre deux systèmes dans des cas concrets ainsi que leur état final.
– Réaliser expérimentalement le bilan thermique d’une enceinte en régime stationnaire.
– Mesurer l’énergie échangée par transfert ther- mique.
I. Que se passe-t-il lorsque l’on chauffe un corps ?
1. Approche qualitative
Rappel de l’expérience de conduction du TP Transferts thermiques. On place des sondes thermométriques tout au long d’une barre de métal. On chauffe l’une des extrémités de la barre et on observe.
1. Qu’aviez-vous observé ?
. . . . . . . . . . . . 2. Quelle est la grandeur macroscopique (c’est à dire à notre échelle d’étude) qui varie ?
. . . . 3. En vous aidant du schéma qui suit, faites le lien entre ce qu’il se passe au niveau microscopique (des molécules)
et la conséquence macroscopique évoquée ci-dessus.
. . . . . . . . . . . . . . . .
2. Température et agitation microscopique
• Les particules d’un corps se déplacent sans cesse. Ces mouvements sont désordonnés.
• La température d’un corps caractérise l’agitation microscopique des particules du corps.
• L’énergie interne d’un corps est la somme des énergies cinétiques et des énergies potentielles d’interaction des particules qui le constituent. Elle est notée U :
U = Ec (agitation) + Ep (interaction)
• La chaleur est un mode de transfert de l’énergie.
• L’énergie qu’un corps cède ou reçoit lors d’un transfert d’énergie par chaleur s’appelle quantité de chaleur.
Elle est notée Q.
Ainsi, lorsque l’on chauffe un corps, solide ou liquide, la quantité de chaleur qu’il reçoit est stockée sous forme d’énergie interne.
3. Variation de température et énergie interne
a) Température et échelle de température
Il existe différentes échelles de température, nous nous limiterons à l’utilisation de deux d’entre elles : – L’échelle Celsius (°C)
– L’échelle Kelvin (K, surtout pas °K)
Si on mesure ainsi la température Tf de fusion de la glace, on voit alors que Tf = 273,15 K.
De même, pour la vaporisation de l’eau sous pression normale : Tv = 373,15 K.
Zéro absolu Fusion de l’eau
(1 atm) T normale Vaporisation de
l’eau (1 atm)
T(K) 0
θ(°C) 25
• De façon générale : t = . . . K
• Mais un écart de température est le même dans les deux échelles : un écart d’un °C correspond à un écart d’un K.
b) Expression littérale de la variation d’énergie interne
Pour toutes les figures :
– Q est la quantité de chaleur reçue par le liquide. Elle est proportionnelle à la durée du chauffage.
– m est la masse du liquide
– t est la température du liquide. ∆t est l’élévation de température du liquide ou cours de l’expérience
– Les deux températures indiquées sur le thermomètre sont respectivement la température initiale et la tempé- rature finale du liquide.
1. Observez la figure 1 et déterminez quelle est la relation entre Q et m pour un même liquide et un même ∆θ. . . . . . . . . . . . . 2. Observez la figure 2 et déterminez quelle est la relation entre Q et ∆θ pour une même masse m d’un même
liquide.
. . . . . . . . . . . . 3. Observez la figure 3 et déterminez un paramètre (autre que m et ∆θ) qui intervient sur la quantité de chaleur
à fournir pour élever la température d’un liquide.
. . . . . . . . . . . . On pose :
Q = m.c.∆θ
« c » étant le facteur qui tient compte de la nature de la substance dont la température varie. Ce facteur est appelé « capacité thermique massique » de la substance.
4. Exprimez c en fonction de Q, m et ∆θ.
. . . . . . . . 5. Précisez l’unité S.I. de la grandeur c.
. . . . 6. En déduire l’expression littérale de la variation d’énergie interne ∆U de ce corps lorsqu’il reçoit de l’énergie,
sous forme de chaleur, Q.
. . . . . . . . . . . . À retenir :
Lorsque la température d’un corps, solide ou liquide, varie d’une valeur initiale θ1 à une valeur finaleθ2, alors sa variation d’énergie interne est donnée par . . . .
Unités :
C est appelée : capacité thermique du corps.
Remarque : il est en général commode d’utiliser la capacité thermique massique du corps (grandeur tabulée)
II. Vérification expérimentale de la relation précédente
On se propose dans ce paragraphe de vérifier expérimentalement la relation Pour cela vous disposez du matériel suivant :
– 1 Calorimètre
– 1 résistance « thermoplongeur » – Eau
– 1 Thermomètre
– 1 balance précise au 1/10ème – 1 chronomètre
– 1 compteur d’énergie
– 1 agitateur magnétique + 1 barreau aimanté
Proposez un protocole expérimental et faites le valider par votre professeur avant de procéder à l’expérience.
Valeurs expérimentales :
Température
initiale (°C) Température
finale (°C)
Masse d’eau introduite (m en g)
Masse du
vase du ca- lorimètre (en g)
Durée de l’ex- périence (τ en s)
Puissance moyenne (W)
Données :
On donne les capacités thermiques massiques :
– de l’eau liquide (dans les conditions de température de l’expérience) : 4,18×103 J.K−1.kg−1 – de l’aluminium solide : 903 J.K−1.kg−1
Conseils pour l’expérience :
Ne pas dépasser la valeur de 60°C car ensuite l’eau peut changer d’état et alors le bilan thermique ne sera plus le même. Agiter, modérément, afin d’homogénéiser la température au sein du calorimètre.
Bilan énergétique :
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusion :
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
