TP 6 Énergie et changement d’état

TP 6 Énergie et changement d’état

Objectif de la séance :

- Mesurer une énergie de changement d’état.

DOCUMENTS MIS A DISPOSITION :

DOC. 1 : Le consomètre (wattmètre)

Un consomètre (ou wattmètre) est un compteur d’énergie. Inséré entre la prise secteur et l’alimentation d’un appareil électrique, il indique la puissance ou l’énergie consommée par l’appareil.

La puissance est l’énergie qui est fournie ou consommée en une seconde. Elle se note P et s’exprime en watts (symbole : W).

L’énergie E consommée par un appareil électrique de puissance P, fonctionnant pendant une durée t s’exprime, dans le système international d’unité, en joule (symbole : J). ces trois grandeurs sont reliées par la relation :

ε = |

|

Lorsque l’on ajoute des glaçons à une boisson, on constate, au bout de quelques minutes, que la boisson est plus froide et les glaçons ont fondu.

Comment expliquer ces deux phénomènes ?

Vexp et Vth doivent être exprimées dans la même unité et avec le même nombre de

chiffres significatifs=

Une liste non exhaustive de sources d’erreurs possibles :

- Le matériel utilisé (verrerie, appareils de mesure, etc.), les substances chimiques et réactifs utilisés qui peuvent ne pas être purs ou mal préparés ;

- Toutes les étapes de l’analyse (prélèvement, pesée, mise en solution, dilution, etc.) incorrectement effectuées ;

- Les conditions environnementales (température, pression, hygrométrie) peuvent avoir une influence sur certaines grandeurs ;

- Le produit analysé (produit biologique (plasma, urine, etc.), alimentaire (eau, lait, bière, etc.) ou autre) peut contenir des substances responsables d’interférences lors des mesures ;

- L’opérateur (technicien, élève, professeur, etc.) effectuant la mesure : manipulation, lecture, etc.

1. Les changements d’état

Complétez les 2 documents ci-dessous :

 Les changements d’état de la matière : (à compléter)

 Au niveau microscopique, on peut associer aux états de la matière un arrangement des particules : (à compléter) État physique

 Nous connaissons la matière sous trois états physiques principalement : états solide, liquide et gazeux. On trouve également des états plus « exotiques » comme les plasmas, les cristaux liquide, etc. ;

 Un changement d’état est une transformation physique par laquelle un corps passe d’un état physique à un autre. Un changement d’état se fait à température et pression constantes pour un corps pur (ne contenant qu’une seule espèce chimique). A la température de transition, les deux états physiques peuvent coexister.

 Ainsi, pour se placer expérimentalement à 0°C exactement, on utilise un mélange d’eau liquide et de glace fondante.

Liquide Liquide

Solide

Solide Gaz Gaz

Solide Liquide Gaz

Arrangement des particules

Compact ordonné

2. Mesure d’une énergie de changement d’état

L’énergie massique de vaporisation de l’eau Lvap(eau) est égale à 2,257  10⁶ J.kg^–1. Cela signifie que pour vaporiser 1 kg d’eau il faut fournir 2,257  10⁶ J.

 On va vérifier cette valeur expérimentalement.

Le montage de distillation est généralement utilisé pour séparer deux liquides miscibles ayant des températures d’ébullition différentes.

Ici, nous allons l’utiliser pour estimer l’énergie massique de vaporisation de l’eau, corps pur qui sera placé dans le ballon. Une fois la température d’ébullition de l’eau atteinte, celle-ci se vaporise et passe dans le réfrigérant pour être refroidie et liquéfiée.

 Une éprouvette graduée permettra de mesurer le volume d’eau ayant été vaporisé pendant une durée donnée.

Protocole expérimental :

 Introduire 100 mL d’eau distillée dans un ballon.

 Mettre en place le ballon et la circulation d’eau dans le réfrigérant puis chauffer à la puissance maximale.

 Surveiller l’évolution de la température des vapeurs au-dessus du ballon.

 Mesurer la masse de l’éprouvette graduée vide et sèche.

 Observer le consomètre (ou wattmètre) et vérifier qu’il affiche la puissance consommée par le chauffe-ballon, en watt.

Quand l’ébullition s’est installée et que les premières gouttes d’eau apparaissent régulièrement dans le l’erlenmeyer :

 Remplacer l’erlenmeyer par l’éprouvette graduée et déclencher le chronomètre au même moment.

 Relever la valeur de la puissance consommée et vérifier qu’elle reste à peu près constante.

Au bout de Δt = 10,00 minutes :

 Remplacer l’éprouvette par l’erlenmeyer.

 Noter la valeur approchée moyenne de la puissance consommée pendant la durée de l’expérience.

P = ______________

 Éteindre le chauffe-ballon.

 Peser la masse d’eau récupérée :

meau = _____________

Quand l’ébullition dans le ballon cesse, arrêter la circulation d’eau dans le réfrigérant.

Questions

3. Exploitation des résultats expérimentaux

On fait l’hypothèse que le chauffe-ballon convertit intégralement l’énergie électrique reçue en énergie thermique.

4. Conclusion

Conclure sur la séance en incluant une réponse à la question posée en début d’activité.

T ABLEAU DES COMPÉTENCES MISES EN ŒUVRE DANS L ’ ACTIVITÉ

COMPÉTENCES Exemples de capacités et d’aptitudes M^OBILISERSES

CONNAISSANCES

Connaître les notions scientifiques du programme, le vocabulaire approprié, les symboles adaptés, les unités.

S’APPROPRIER

Rechercher, extraire et organiser l’information utile.

Adopter une attitude critique vis-à-vis de l’information.

Questionner, identifier, formuler un problème.

Reformuler.

Identifier les risques.

R^ÉALISER Réaliser un montage à partir d’un schéma.

Suivre un protocole donné.

Utiliser, dans un contexte donné, le matériel à disposition.

Savoir choisir, combiner et réaliser plusieurs actions.

Effectuer un relevé de mesures.

Schématiser, construire un graphique, un tableau, etc.

Exploiter une relation, un calcul littéral.

Effectuer un calcul numérique, utiliser les symboles et les unités appropriés, utiliser la calculatrice.

Reconnaître et utiliser la proportionnalité.

Q1. Pourquoi utilise-t-on de l’eau distillée et non l’eau du robinet ?

Q2. Comment évolue la température des vapeurs au début du chauffage ? Et quand l’erlenmeyer se remplit des vapeurs liquéfiées ?

Q3. Que représente le volume d’eau recueilli dans l’éprouvette graduée ?

Q4. Calculer l’énergie consommée à partir de la puissance relevée et de la durée Δt.

Questions

Q5. Si l’on suppose que toute l’énergie consommée par le chauffe-ballon a été transmise à l’eau présente dans le ballon, quelle relation peut-on écrire entre l’énergie consommée E et le transfert thermique Q reçu par l’eau ? Q6. Utiliser la relation du document 2 pour déterminer l’énergie massique de vaporisation de l’eau, Lvap. Q7. Calculer l’écart relatif entre la valeur obtenue pour l’énergie massique de vaporisation de l’eau et la valeur théorique donnée dans la partie 2. Commenter.

Q8. On estime que plus de 50 % de l’énergie électrique reçue par le chauffe-ballon n’est pas transmise sous forme d’énergie thermique à l’eau du ballon. Est-ce cohérent avec les résultats ?

Nous allons supposer que les mesures réalisées par chacun des N groupes sont équivalentes à une série de N mesures réalisées par un unique opérateur dans les mêmes conditions expérimentales.

Q9. À l’aide d’un ordinateur, d’une calculatrice ou de python, déterminer la valeur moyenne L´vap et l’incertitude-type U(Lvap) en utilisant les résultats de l’ensemble des groupes. Commenter.

Q10. Chercher les sources de perte d’énergie (énergie non transmise à l’eau du ballon).

Respecter les règles de sécurité, manipuler avec soin, veiller au rangement du plan de travail, etc.

A^NALYSER

Émettre une hypothèse.

Identifier les paramètres qui influencent un phénomène, choisir les grandeurs à mesurer.

Élaborer ou justifier un protocole.

Proposer une méthode, un calcul, un outil adapté ; faire des essais (choisir, adapter une méthode, un protocole).

Proposer, décrire un modèle ; utiliser un modèle pour prévoir, décrire et expliquer.

Percevoir la différence entre un modèle et la réalité, entre la réalité et une simulation.

VALIDER

Estimer l’incertitude d’une mesure, faire un traitement statistique d’une série de mesures, etc.

Interpréter des résultats, juger de la qualité d’une mesure, etc.

Confronter le résultat au résultat attendu, mettre en relation, déduire.

Valider ou invalider une information, une hypothèse, etc.

COMMUNIQUERÀ L’AIDEDELANGAGES OUD'^OUTILS

SCIENTIFIQUES

Communiquer des résultats, rédiger une solution.

Exprimer un résultat (grandeur ─ unité ─ chiffres significatifs).

Rendre compte à l’écrit ou à l’oral en utilisant un vocabulaire adapté.

ÊTREAUTONOME,

FAIREPREUVE D’^INITIATIVE

S’impliquer.

Prendre des initiatives, anticiper, faire preuve de créativité.

Travailler en autonomie.

Travailler en équipe.

CORRECTION

1. Les changements d’état

État physique

vaporisation fusion

Liquide

liquéfaction solidification

condensation

Solide Gaz

sublimation

Solide Liquide Gaz

Arrangement des particules

Compact Ordonné

Compact Désordonné

Dispersé Désordonné

2. Mesure d’une énergie de changement d’état

Réponses aux questions :

Q1. Un changement d’état se fait à température constante pour un corps pur. L’eau du robinet n’est pas un corps pur.

Q2. Elle augmente puis se stabilise à 100°C (environ) quand les vapeurs se liquéfient dans l’erlenmeyer.

Q3. Il représente le volume d’eau qui s’est évaporé sous l’action de l’énergie reçu par l’eau dans le ballon, fournie par le chauffe-ballon et donc l’énergie consommée par le chauffe-ballon.

Q4. Calculer l’énergie consommée :

E = P t A.N. : E =

3. Exploitation des résultats expérimentaux

Réponses aux questions :

Q5. Quelle relation entre E et Q ?

Q = E = P  t Q6. Énergie massique de vaporisation de l’eau, Lvap :

L

=

eau

= E

m_eau= P t m_eau

A.N. : Lvap =

4. Conclusion

À vous de la faire !

Fiche TP n°6 – Énergie et changement d’état

Type d’activité : activité expérimentale Conditions de mise en œuvre : Durée : 1,5 h

Effectif réduit – 8 (?) groupes de 2-3 élèves

THEME DOMAINE

TRANSFORMATION DE LA MATIÈRE Transformation physique

NOTIONS ET CONTENUS COMPÉTENCES ATTENDUES

Transformations physiques endothermiques et exothermiques.

Énergie de changement d’état et application

Exploiter la relation entre l’énergie transférée lors d’un changement d’état et l’énergie massique de changement d’état de l’espèce

Liste du matériel:

Matériel (par table) : - Consomètre

- Montage de distillation avec chauffe-ballon et

Bureau professeur :

erlenmeyer - Valet, manique - Thermomètre

- Eprouvette plastique 100 mL - Balance à 0,1 g

- Chronomètre - Eau distillée - Ordinateur

Calculs statistiques avec python : voir fichier python « ecart-type.py » Variante : voir activité n°3 du livre Physique Chimie 2^de Éditions HATIER p98

COMPLEMENTS