Pour l’eau liquide, ce = 4185 J.°C-1.kg-1

Chaleur latente de fusion de la glace

Document 1

Les molécules d’eau interagissent sous l’effet des forces intermoléculaires appelées forces de Van-der- Waals, plus particulièrement les liaisons hydrogènes. Pour vaincre (ou « casser ») ces liaisons il faut un apport plus ou mois important d’énergie.

Ainsi, pour l’eau liquide, de l’énergie est puisée dans le milieu environnant (air, contenant…) et permet de casser ces liaisons. Mais à peine une liaison rompue entre 2 molécules, celle-ci se reforme entre 2 autres. Dans l’eau liquide, tout ce passe comme si les molécules glissaient en s’attachant puis se détachant l’une de l’autre.

Un apport d’énergie (chauffage) entraîne alors une augmentation de la température, soit de l’énergie cinétique des molécules. On définit la capacité thermique massique Ce de l’eau comme la quantité d’énergie qu’il fait apporter à 1kg d’eau pour augmenter sa température de 1°C. Pour l’eau liquide, ce = 4185 J.°C^-1.kg^-1. L’apport d’énergie sera compté positivement si l’eau reçoit cette énergie.

Lorsque la température d’ébullition est atteinte (100°C à la pression de 10⁵Pa pour l’eau), l’apport d’énergie ne sert plus à accélérer les molécules mais à rompre les liaisons entre ces molécules. La température n’augmente plus, mais l’eau change d’état : elle se vaporise. On définit la chaleur latente de vaporisation Lv comme la quantité d’énergie qu’il faut apporter à 1kg d’eau pour la vaporiser à pression constante. Pour l’eau, Lv = 2257 kJ.kg^-1.

1. Expliquer ce qu’est une liaison hydrogène entre 2 molécules d’eau.

2. Quelle quantité d’énergie Q faut-il pour élever la température de Δθ = θf – θi =15°C de m=150g d’eau. Donner la formule littérale qui permet de répondre à la question et calculer le résultat.

3. Quelle est la quantité d’énergie Q’ qu’il faudrait pour refroidir cette même quantité d’eau de 15°C.

Expliquer.

4. Quelle est la quantité d’énergie nécessaire pour vaporiser m=150g d’eau à la température de 100°C ? Donner la formule littérale et réaliser le calcul.

5. Quelle est la valeur de la chaleur latente de liquéfaction LL de l’eau à la pression de 10⁵Pa.

Document 2 : Température en fonction de l’apport d’énergie

6. Le graphe ci-dessus présente l’évolution de la température en fonction de l’énergie apporté à une masse m d’eau initialement sous forme de glace à la température θ1 qui se transforme par étape en vapeur d’eau à la température θ4.

Donner les expressions littérales des quantités de chaleurs Q1, Q2, Q3, Q4 et Q5 apportées au cours des transformations de la masse d’eau.

Energie apportée Q (J)

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5

θ1

θ2

Température θ (°C)

glace glace  eau eau eauvapeur vapeur

θ3

θ4

Document 3 : Echanges de chaleur

On appelle système isolé, un système qui n’échange aucune énergie avec le milieu extérieur (tout ce qui n’appartient pas au système).

En revanche, les différentes parties du système peuvent échanger de l’énergie l’une avec l’autre.

On compte négativement les quantités d’énergie cédées et positivement les quantités d’énergie gagnées. Le système étant isolé, la somme des quantités d’énergie échangées sera nulle.

Exemple :

On mélange de l’eau liquide et un glaçon dans un calorimètre (récipient qui n’échange pas d’énergie avec le milieu extérieur).

Le système évolue vers un état d’équilibre thermique ou tous les composants auront la même température.

- Le glaçon se réchauffe et fond ; il reçoit les quantités d’énergies (chaleurs) Qg=QA+QB.

- L’eau liquide se refroidit en échangeant l’énergie Qe=-QA

- Le calorimètre se refroidit en échangeant l’énergie QCal=–QB

On peut effectivement constater que : QA + QB – QA – QB = 0 On en déduit que Qg + Qe + QCal = 0

Matériel : le calorimètre

La capacité thermique du calorimètre est Ccal=100 J.°C^-1 (Il faut 100J pour élever la température de 1°C du calorimètre et de ces accessoires)

Protocole

- Introduire 150mL d’eau dans le calorimètre (masse m =150g)

- Mesurer la température θ1 de l’eau (et du calorimètre) une fois l’équilibre thermique atteint

θ1 =

- Prélever 2 glaçons fondants à la température θ’1=0°C et mesurer rapidement la masse totale de la glace m’=

- Introduire les glaçons (séché) dans le calorimètre. Agiter

- Mesurer la température finale θ2

lorsque l’équilibre thermique est atteint.

θ2 = Exploitation :

a. Donner l’expression de l’énergie Qe échangée par l’eau liquide au cours de l’expérience en fonction de m, ce, θ1 et θ2. (Aide : l’eau se refroidit)

b. Donner l’expression de l’énergie Qcal échangée par le calorimètre au cours de l’expérience en fonction de Ccal, θ1 et θ2. (Aide : le calorimètre se refroidit)

c. Donner les expressions Qg et Q’g des énergies échangées par la glace puis l’eau issue de la fonte du glaçon au cours de l’expérience en fonction de la chaleur latente de fusion de la glace Lf, m’ et θ2. (Aide : le glaçon fond puis l’eau se réchauffe)

d. Le système calorimètre+eau+glaçon étant isolé, quelle relation peut-on établir entre Qe, Qcal, Qg et Q’g ?

A partir de cette relation, exprimer Lf la chaleur latente de fusion de la glace. Calculer cette valeur.

e. La chaleur latente de fusion de la glace est Lf=3,3×10² kJ.kg^-1. Comparer à la valeur expérimentale.

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Parois isolantes Thermomètre

Agitateur

Eau liquide

Glaçon

Calorimètre QA

QB