Échanges d’énergie Annexe 3 Page 1 sur 2
Thermodynamique, T10.A3 © Isa 2020
E
XERCICESLes exercices de cette feuille sont tous en catégorie A. Ils présentent trois situations physiques différentes mettant en jeu des échanges d’énergie, le premier sous forme de travail, les deux suivants sous forme de chaleur.
N.B. La difficulté d’un exercice dépend de l’histoire et de la personnalité des chercheurs ou chercheuses. Les exercices de catégorie A soutiennent l’apprentissage du cours.
Exercices de catégorie A
T10.EA1 : Travail de l’expérimentateur
Vous poussez sur le piston d’un corps de pompe pour comprimer le gaz qu’il contient. Vous exercez une force d’intensité 80 N et le piston se déplace de 5 cm.
a. Faites un schéma récapitulant la situation.
b. Quel travail votre force a-t-elle effectué ? c. À quel système ce travail est-il cédé ?
d. Sous quelle forme d’énergie ce système l’a-t-il emmagasiné ? a. Schéma de la situation :
T10.Ex Figure 1 : Compression par un opérateur.
b. La définition du travail de la force Fop lors du déplacement AB donne :
Les vecteurs force et déplacement sont colinéaires et de même sens. Le travail cherché est donc positif.
Il s’écrit :
c. Ce travail est cédé au gaz contenu dans le corps de pompe.
d. Le gaz emmagasine ce travail sous forme d’énergie interne. Celle-ci augmente.
T10.EA2 : Chaleur cédée par une tasse de thé
Dans une tasse à thé vous versez de l’eau bouillante sur quelques feuilles de thé. Vous laissez infuser quelques minutes. Vous vous êtes muni(e) d’un thermomètre. La température du thé est alors 85°C. Une vingtaine de minutes plus tard, sa température est devenue 35°C. La capacité thermique moyenne du système {S} formé par la tasse, l’eau et les feuilles vaut C = 1,3 J.K-1.
a. Faites un schéma récapitulant de la situation.
b. Quelle quantité de chaleur le système {S} va-t-il céder pendant ce laps de temps ? c. À quel système va-t-il la céder ?
d. Quelle forme d’énergie le système {S} va-t-il perdre ? a. Schéma de la situation :
T10.Ex Figure 2 : Le système {tasse, eau, feuilles}.
b. Le système {S} passe de l’état (Pa, V, Ti) à l’état (Pa, V, Tf). La quantité de chaleur Q cédée par le système vaut :
c. Cette quantité de chaleur est cédée à l’atmosphère environnante.
d. L’énergie interne du système a diminué.
T10.EA3 : Chaleur reçue par un glaçon
On sort des glaçons du congélateur où règne une température valant -18°C. La cuisine est soumise à la pression atmosphérique normale Pa.
a. Faites un schéma de la situation.
WA→B(! Fop)= !
Fop
. " !
AB"
WA→B(!
Fop)=Fop
.
AB WA→B(!Fop)=80.5.10−2J = 4,0 J
Q=C(Ti−Tf)
Q=1,3 (85−35) J=65J
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Thermodynamique, T10 © Isa 2020
b. Quelle est la quantité de chaleur nécessaire pour faire fondre de façon réversible, isotherme et isobare une masse m = 5 g de glaçon sous la pression atmosphérique normale ?
c. Quelle forme d’énergie le glaçon va-t-il gagner ?
d. Décrivez un mode opératoire réalisant cette transformation afin qu’elle soit proche de la réversibilité.
Autres données numériques : cf. T10.
a. Schéma de la situation :
T10.Ex Figure 3 : Fusion d’un glaçon.
b. Pour la fusion d’un glaçon de masse m effectuée de façon réversible, isotherme et isobare, il faut fournit une quantité de chaleur Q :
c. L’énergie interne de l’eau du glaçon augmente.
d. On commence par faire passer la température du glaçon de -18°C à 0°C en le mettant en contact avec une série de thermostats dont les températures se répartissent entre ces deux valeurs. Le dernier thermostat est constitué de glace fondante avec laquelle le glaçon reste en contact pendant sa fusion. La transformation est ainsi isotherme. Le glaçon est soumis à la pression atmosphérique normale Pa constante qui règne dans le laboratoire.
La transformation est donc isobare.
L’échange thermique s’effectue entre deux systèmes, le glaçon et la glace fondante qui sont pratiquement à la même température. Il n’y a donc aucune cause notable d’irréversibilité, ni différence de température, ni différence de pression. La transformation est donc proche de la réversibilité.
Q=mLfusion
Q=5.10−3.334,4.103J=1,7 kJ
