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TS Thème : Comprendre
Physique TP spécial confinement
Transferts thermiques et rendement énergétique Chap.15
Données
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.
La variation d’énergie totale d’un système s’exprime par la relation U = m c (T finale – T initiale) avec m en kg, c capacité thermique du solide ou du liquide en J.kg-1.K-1 (ou en J.kg-1.°C-1) et T en kelvins(K) ou °C.
La capacité thermique massique est l’énergie qu’il faut fournir pour augmenter de 1K (ou 1°C) la température d’un corps de 1 kg.
Un système isolé n’échange pas d’énergie avec l’extérieur donc U = 0.
I. Transferts thermiques dans un Thermos (ou un autre récipient)
On se propose de calculer la température d’un mélange d’eau froide et d’eau chaude dans une bouteille Thermos.
Matériel (voir ci-contre celui utilisé chez moi)
Bouteille Thermos de préférence. Sinon récipient en verre Pyrex ou casserole avec un couvercle de contenance d’environ 1 L.
Thermomètre électronique pouvant mesurer des températures d’environ 60°C voire plus.
Verre doseur.
Balance électronique ou mécanique de portée de 1 kg ou plus Mesures préalables
Mesurer le volume maximal V d’eau que peut contenir le récipient. Le volume à utiliser d’eau froide ou d’eau chaude sera d’environ V/3.
Si votre balance a une portée inférieure à 1 kg, il faut qu’elle puisse mesurer le verre doseur et un volume V/3 du récipient. Si ce n’est pas le cas, diminuer le volume d’eau.
En l’absence de thermomètre, évaluer la température de l’eau froide, de l’eau chaude sans vous brûler. L’eau bouillante peut convenir et sa température sera prise égale à 100°C.
Si vous ne pouvez pas faire cette expérience, utiliser les valeurs relevées chez moi.
1. Mode opératoire
Toutes les valeurs mesurées sont à reporter dans le tableau Excel joint (qui fonctionne avec Libre Office).
1.1. Peser le verre doseur vide. Noter sa masse m1.
Verser un volume d’environ V/3 d’eau froide du robinet dans le verre doseur.
1.2. Relever la température T fr de l’eau froide avant introduction.
1.3. Peser à nouveau le verre doseur avec l’eau froide. Noter sa masse m2.
Verser l’eau froide dans le récipient.
Verser un volume d’environ V/3 d’eau chaude du robinet dans le verre doseur.
1.4. Peser de nouveau le verre doseur. Noter sa masse m3.
1.5. Relever la température T ch de l’eau chaude dans le verre doseur
1.6. Verser rapidement l’eau chaude dans le récipient et relever la température T mél du mélange.
Recommencer les mêmes opérations au moins 2 fois.
2. Exploitation
Vous utiliserez le tableur et ses fonctionnalités pour calculer les différentes valeurs.
2.1. Calculer la masse exacte d’eau froide m froide introduite.
2.2. Calculer la masse exacte d’eau chaude m chaude qui a été versée.
2.3. Si le système est isolé, exprimer la variation d’énergie interne de l’eau froide et celle de l’eau chaude à l’aide des variables m froide, m chaude, c, T fr, T ch et de T mél.
2.4. Etablir à l’aide la question précédente la relation théorique : Tmél = m chaude Tch + m froide Tfr
m chaude + m froide
2.5. Calculer l’écart relatif ER (en %) entre la valeur expérimentale et la valeur théorique pour chaque mesure.
2.6. Conclure sur les hypothèses émises.
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II. Rendement énergétique d’une bouilloire électrique
Une bouilloire électrique réalise une conversion d’énergie avec un certain rendement.
L’énergie consommée par la bouilloire peut se mesurer à l’aide d’un calculateur d’énergie. A défaut, la puissance nominale P (en W) indiquée sur la bouilloire donne une valeur approchée de sa consommation réelle.
1. Partie expérimentale
1.1. Remplir une bouilloire d’un litre d’eau tiède (environ 20°C) mesurée avec un verre doseur ; mesurer sa température initiale Ti.
1.2. Mettre en route la bouilloire en déclenchant un chronomètre (sur un téléphone portable).
1.3. Arrêter le chronomètre quand l’eau bout (en général, la bouilloire s’arrête de fonctionner).
Mesurer, si possible, la température finale Tf. Sinon, prendre la température finale égale à 100°C.
2. Calcul du rendement énergétique
Si vous n’avez pas pu faire les mesures, voici celles que j’ai réalisées chez moi.
P = 2,2 kW ; V = 100 cL ; Ti = 20°C ; Tf = 98°C ; t = 3’45’’ ; c = 4,18 103 J.kg-1.K-1.
2.1. Déterminer le rendement r (en %) de la bouilloire. Lire le livre page 389 pour plus d’informations.
2.2. Faire une liste des pertes énergétiques possibles dans cette situation. Lesquelles sont les plus grandes selon vous ?
III. Exercices
Exercices 10-15-16 p.396
