Energie thermique et calorimétrie

COURS D’ENERGIE THERMIQUE ET DE CALORIMETRIE

1. Les trois états de la matière et les différents changements d’états

La matière est présente sous forme de trois états à l’état naturel :

Liquide, Solide, Gaz.

Pour une pression donnée (en général la pression atmosphérique dite normale de 1013 hPa) le changement d’un état dans un autre se fait à Température constante.

Exemple : l’eau bout (passe de l’état liquide à gazeux : vaporisation) à 100°C et la glace fond (passe de l’état solide à l’état liquide : fusion) à 0°C. Tant qu’il y a un glaçon dans de l’eau qui est à 0°C la température reste à 0°C.

Si un corps contient des impuretés son domaine de température où il est liquide est élargi. L’eau salée bout à 104-107°C et gèle à -4°C.

Pour certaine pression très basse (exemple en altitude) l’eau peut être liquide à des températures négatives. On appelle celà la surfusion, l’eau est alors surfondu. Un simple choc au sol et elle se transforme en glace : c’est ce qui se passe dans un brouillard givrant.

Il ne faut pas confondre la vaporisation de l’eau à 100°C et l’évaporation qui est une diffusion entre deux milieux à température ambiante. Mais énergétiquement c’est lié.

Liquide $$\longrightarrow$$ Solide : solidification

Solide $$\longrightarrow$$ Liquide : fusion

Liquide $$\longrightarrow$$ Gaz : vaporisation

Gaz $$\longrightarrow$$ Liquide : liquéfaction (parfois condensation)

Solide $$\longrightarrow$$ Gaz : sublimation

Gaz $$\longrightarrow$$ Solide : condensation

2. Transfert de chaleur.

On appelle transfert de chaleur, une augmentation (Q > 0) ou une diminution (Q<0) de l'énergie thermique d'un corps. Cette énergie thermique est la somme des énergies cinétiques microscopiques de chaque atomes du corps. Il existe deux types de tranfert de chaleur : Sans changement d’état : Q = mC(Tfinal – Tinitiale)

C = capacité calorifique massique du corps (en $$J.Kg^$ -1.K^-1$)

m = masse (en kg)

1K = 1°C T en K = $$\theta$$ en °C + 273,15

Avec changement d’état : Q = mL

L = chaleur latente de fusion ou de vaporisation (en $$J.Kg^$ -1$)

Q = – mL si solidification ou condensation

La chaleur est une énergie dont l’unité est le joule J

Lors de transfert de chaleur on calcule deux chaleurs

Q1 = chaleur gagnée par un des corps et

Q2 = la chaleur perdue par l’autre corps

et on résoud l’équation Q1 = – Q2 .

Dans certain exercice (exemple de la balle fondue) on calcule une masse m fondue en connaissant l’énergie cinétique du corps (par exemple le grélon)

Ec = $$$ 1\over2mv^2$

on a $$m_$ f$L = Ec. On ne calcule qu’une chaleur

Connaissant la vitesse du grélon sa masse, on calcule Ec, puis connaissant L on calcule la masse fondue $$m_$ f$

3. Exercice :

a. On plonge un bloc de cuivre de 518,8 g sortant d’un four thermostaté dans un calorimètre rempli de 400 g d’eau à 10 °C. La température finale du mélange est de 70 °C. Quelle était la température du four ?

Données : $$C_$ eau$ = 4,18. $$10^$ 3$ $$J.Kg^$ -1.K^-1$

$$L_$ f$ = 335. $$10^$ 3$ $$J.Kg^$ -1$

$$C_$ Cu$ = 387 $$J.Kg^$ -1.K^-1$

b. On mélange dans un calorimètre parfait (il n’y a pas d’échange de chaleur avec l’extérieur) 200 g d’eau à 30 °C et 20 g de glace à -3 °C. En rédigeant avec soin, calculer la température finale du mélange.

Données : $$C_$ eau$ = 4,18. $$10^$ 3$ $$J.Kg^$ -1.K^-1$

$$L_$ f$ = 335. $$10^$ 3$ $$J.Kg^$ -1$

$$C_$ glace$ = 2,1. $$10^$ 3$ $$J.Kg^$ -1.K^-1$