TP n°12 Effectuer des bilans d’énergie sur un système Objectifs :
- Effectuer l’étude énergétique d’un système thermodynamique.
- Suivre et modéliser l’évolution de la température d’un système incompressible.
Capacités expérimentales :
(1) Utiliser un multimètre, adapter le calibre si nécessaire.
(2) Réaliser un montage électrique conformément à un schéma électrique normalisé.
(3) Mettre en œuvre un protocole permettant d'estimer une énergie transférée
(4) Mettre en œuvre un dispositif pour réaliser un bilan énergétique et suivre l’évolution de la température d’un système.
Un calorimètre parfait est un système isolé, ce qui signifie que le système constitué par le calorimètre et son contenu n’échange ni matière ni énergie avec l’extérieur. On se propose de déterminer la valeur en eau du calorimètre c’est-à-dire la masse d’eau, notée , dont la capacité thermique est équivalente à celle de l’enceinte en aluminium du calorimètre.
Proposer une méthode calculatoire permettant d’évaluer connaissant les capacités thermiques massiques de l’eau et de l’aluminium : c(Al)=0,894 J.g-1.K-1 et c(eau)=4,18 J.g-1.K-1.
Rappel : pour une phase condensée, solide ou liquide, de masse 𝑚 et de capacité thermique massique 𝑐, le transfert thermique Q qui s’accompagne de l’élévation de température Δ𝑇 s’écrit : 𝑄 = 𝑚 ∙ 𝑐 ∙ Δ𝑇.
I. Transfert d’énergie électrique
On admet que toute la puissance électrique fournie par un résistor est dissipée en chaleur par effet Joule. On rappelle que la puissance électrique fournie à un récepteur électrique est donnée par :
𝑃 = 𝑈 ∙ 𝐼, et qu’énergie et puissance sont reliées par : 𝐸 = 𝑃 ∙ Δ𝑡. Par ailleurs, pour un conducteur ohmique de résistance R, la loi d’Ohm permet d’écrire : 𝑈 = 𝑅 ∙ 𝐼 ou 𝐼 =𝑈
𝑅.
On travaille avec une source de tension continue qui fournit la tension constante 𝑈 aux bornes de la résistance aussi l’énergie dissipée par celle-ci pendant la durée Δ𝑡 est donnée par : 𝐸 =𝑈2
𝑅 ∙ Δ𝑡.
Faire un bilan d’énergie sur le contenu du calorimètre. Déterminer la durée nécessaire pour élever de 5°C un volume de 400 mL d’eau. Vérifier expérimentalement.
II. Mesure de la chaleur de neutralisation Mode opératoire : (Expérience au bureau)
Introduire dans le calorimètre exactement 200 mL d’une solution molaire d’acide chlorhydrique (H3O+(aq) + Cl-(aq)) contenue dans une fiole jaugée et mesurer la température initiale Ti. Préparer exactement 200 mL d’une solution molaire de soude (Na+(aq)+HO-(aq)) contenue dans un bécher et mesurée dans une fiole jaugée, supposée à la même température initiale Ti. Verser rapidement cette solution dans le calorimètre et mesurer la température du mélange Tf après stabilisation. Peser la masse du calorimètre pour déterminer la masse totale de solution m, assimilée à de l’eau, qu’il contient.
Exploitation :
1. Écrire la réaction qui se produit lors du mélange à partir des couples acide-base : H3O+/H2O ; H2O/HO-. Comment s’appelle la réaction inverse ?
2. La réaction est-elle exo ou endothermique ?
3. Soit h la chaleur molaire de neutralisation, c’est-à-dire le transfert thermique qui accompagne la réaction précédente par mole de chacun des réactifs ; en tenant compte de la masse d’eau dans le calorimètre et de la masse d’eau équivalente du calorimètre, déterminée précédemment, évaluer la valeur de h et comparer avec la valeur théorique : h= - 57 kJ.mol-1.
Matériel
• Calorimètre
• Balance
• Résistance électrique pouvant être placée dans le calorimètre
• Générateur de tension continue
• Thermomètre électronique
• Chronomètre
• 1Multimètres et fils
• Éprouvette graduée
