TP N 1 DE THERMODYNAMIQUE


"DETERMINATION DE LA CHALEUR LATENTE


DE FUSION DE LA GLACE"


INTRODUCTION :
Le mot thermodynamique se dcompose en deux sous-mots :
Thermo : nergie, chaleur,
Dynamique : mouvement, change, transfert,
Donc la thermodynamique est une science qui pour l'objet l'tude des changes de l'nergie au cours des transformations physiques ou chimiques d'un systme.

I.PARTIE THEORIQUE : (03)
1.Dfinition d'un systme :
Le systme est une partie de l'univers soumise une tude thermique parfaitement limite par ses frontires, le reste de l'univers entourant le systme s'appelle milieu extrieur.


univers = systme + milieu extrieur



Selon la nature des changes avec le milieu extrieur, on parlera de systmes ouverts, ferms ou isols.


Nature du


systme


Nature des changes


Exemples



Energie


Matire


Ouvert


oui


Oui


Racteur flux continu


Ferm


oui


non


Racteur ferm


Isol


non


non


Calorimtre


Pour connaitre l'tat d'un systme, il faut fixer un certains nombre de variables qui permettre de reconstituer exprimentalement ce systme.
Ces variables sont, en thermodynamique : volume (V), pression (P), temprature (T), nombre de mole (n),
Ils s'appellent variables d'tat, ils peuvent tre intensives ou extensives :


Variables extensives


Variables intensives


V, m, n


Elles dpendent de la masse.


Elles ont des proprits additives.


P, T, Xi


Elles ne dpendent pas de la masse.


Non additives.




2.Notion d'quilibre :
Un systme est en quilibre thermodynamique quand les valeurs des variables d'tat sont les mmes en tout point du systme et n'voluent pas avec le temps.
On a trois types d'quilibre :
Equilibre thermique ;
Equilibre mcanique ;
Equilibre chimique.

3.Transformation :
On dit un systme est transform lorsque au moins une variable d'tat change sa valeur, donc une transformation est un passage de l'tat d'quilibre initial un autre tat d'quilibre.
On a deux types de transformation :
Physique : le passage d'un tat physique initiale un autre tat physique (changement de phase) ;
Chimique : raction chimiques.

4.Etat de la matire :
La matire est dfinie comme tant tout ce qui occupe un espace et possde une masse.
La matire existe en trois tats : solide, liquide ou gaz.



Sublimation


Fusion vaporisation

Solide Liquide Gaz

Solidification Liqufaction



Condensation


5.La calorimtrie :
La calorimtrie est une partie de la thermodynamique qui pour l'objet la mesure des quantits de chaleurs changs entre les systmes.
On utilise pour cela un calorimtre.

Le calorimtre est un systme thermodynamique isol qui n'change aucune nergie avec le milieu extrieur, ses parois sont indformables et adiabatiques (adiabatique il n' y a aucun transfert de chaleur avec le milieu extrieur).

II.PARTIE PRATIQUE :
1.But de ce TP :
Dtermination de la chaleur latente de fusion de la glace.

2.Principe de la mthode de mlange :
Dans une enceinte adiabatique (calorimtre) et par contact ou mlange de deux corps (a et b) des tempratures diffrentes (Ta et Tb), il y a transfert de chaleur : l'quilibre thermique les deux corps ont la mme temprature T = Te (temprature finale ou d'quilibre du mlange), c'est le principe zro de thermodynamique.
L'change de chaleur s'effectue toujours du corps chaud vers le corps froid. La quantit de chaleur cde par le corps chaud est gale la quantit de chaleur reue par le corps froid, c'est le principe de conservation de l'nergie appliqu aux systmes isols.

Le paramtre d'tat qui caractrise l'tat thermique du corps c'est la temprature, pour dterminer cette temprature, on utilise le thermomtre. L'chelle employe est le degr Celcuis, en thermodynamique, la temprature est dtermine en utilisant une chelle appele Kelvin. La relation entre les deux chelles est donne sous la forme :

+ 273,15


Dans ce TP, on utilise un calorimtre de BERTHELOT (quasi adiabatique) :


3.Mode opratoire :
1.Matriels et appareils :
Calorimtre, chronomtre, thermomtre, agitateur magntique chauffant, erlenmeyer, entonnoirs, prouvette gradue de 100 ml et la glace.

2.Mthodes :
Manipulation 01 : mesure de la capacit calorifique du calorimtre (CCal).
On verse m1 = 100 g (100 ml) d'eau froide dans le calorimtre, et on mesure la temprature T1 du calorimtre :

t (min)


1


2


3


4


5


T1 (C)


29


29


29


29


29



On chauffe une masse d'eau m2 = 100 g (100 ml) sur l'agitateur magntique chauffant pendant 5 minutes (bouton 7), et on mesure la temprature T2 de l'eau chaude, T2 = 75 C ;

On verse aussitt l'eau chaude dans le calorimtre, on agite le mlange et on mesure la temprature finale Tf :

t (min)


1


2


3


4


5


Tf (C)


50


50


50


50


50



Manipulation 02 : mesure de la chaleur latente de fusion de la glace (Lf).
On met immdiatement une masse mg = 100 g d'un glaon sec de temprature Tg = -1 C dans le calorimtre. On agite sans arrt, le mlange avec l'agitateur jusqu' la fusion complte de la glace et on mesure la temprature finale :

t (min)


1


2


3


4


5


6


7


8


9


10


Tf (C)


22


14


10


8


7


6


6


6


6


6



4.Rsultats et interprtations :
1.Le graphe T = f(t) pour la manipulation (mlange eau froide et eau chaude) : (02)
Entre I et II : l'intrieur du calorimtre, il y a des transferts de chaleur entre les diffrentes parties du calorimtre (eau froide, paroi et accessoires), comme il n'y a aucune change de chaleur avec l'extrieur, cela implique que la temprature de l'eau froide est gale la temprature du calorimtre et elle est constante ;

Entre II et III : par ajout d'une quantit de l'eau chaude dans le calorimtre, on remarque qu'il y a une lvation de temprature de l'eau froide l'intrieur du calorimtre ;

Entre III et IV : l'quilibre thermique les deux corps ont la mme temprature, on remarque que cette temprature n'volue pas avec le temps (systme isol).

2.Le graphe T = f(t) pour la manipulation (mlange eau et eau glace) : (02)
Entre I et II : l'intrieur du calorimtre, on a dj le mlange eau froide et eau chaude et puisque le systme est isol, il n'y a pas de transfert de chaleur avec le milieu extrieur, donc la temprature reste constante ;

Entre II et III : par ajout de la glace dans le calorimtre, on remarque que la temprature diminue au cours du temps ;

Entre III et IV : la fusion complte de la glace et l'obtention de l'quilibre thermique entre les deux corps (les deux corps ont la mme temprature), on remarque que cette temprature n'volue pas avec le temps (systme isol).
3.Calcul de la capacit calorifique du calorimtre CCal : (02)

Eau froide dans le calorimtre + Eau chaude

Systme 01 Systme 02
A l'quilibre thermique :
Systme 01, c'est un corps froid il reu une quantit de chaleur : Q1 = (m1.ce + CCal).(Tf T1)
Systme 02, c'est un corps chaud il cde une quantit de chaleur : Q2 = (m2.ce).(Tf T2)
Dans un systme isol
Q1 + Q2 = 0
(m1.ce + CCal).(Tf T1) + (m2.ce).(Tf T2) = 0
CCal = [-(m1.ce).(Tf T1) + (m2.ce).(Tf T2)] / (Tf T1)

Tel que :
m1 est la masse de l'eau froide (en kg)
m2 est la masse de l'eau chaude (en kg);
T1 est la temprature du systme 01 (en K);
T2 est la temprature du systme 02 (en K);
Tf est la temprature l'quilibre thermique (en K);
ce est la chaleur spcifique de l'eau ou la chaleur qu'il doit fournir l'unit de masse de l'eau pour lever sa temprature de 1 C (en j / kg.K) ;
CCal est la capacit calorifique du calorimtre, pour un systme simple de masse m, on dfinit alors, la capacit calorifique par unit de masse, par : C = m.c (en j / K) ;

A.N :
CCal = - [(100.10-3.4190).(50 29) + (100.10-3.4190).(50 75)] / (50 29)

CCal = 79,81 j / K

4.Calcul de la chaleur latente de fusion de la glace (Lf) : (02)
La chaleur latente c'est la chaleur qu'il faut fournir la masse unit du corps tudi pour changer son tat physique temprature constante. Pour un corps de masse m : Q = m.L. Pour l'eau pure, sous la pression atmosphrique normale : Lf = 3,35.105 J / kg.


Eau dans le calorimtre + glace

Systme 01 Systme 02
A l'quilibre thermique :
Les chaleurs mises en jeu dans le calorimtre :
Chaleur perdue par le Systme 01 : Q1 = (m1.ce + CCal).(Tf T1) ;
Chaleur pour lever la temprature de la glace de Tg 0 C : Q2 = (mg.cg).(o Tg) ;
Chaleur de fusion de la glace 0 C : Q3 = mg.Lf ;
Chaleur pour lever la temprature de l'eau provenant de fusion de la glace de 0 C Tf : Q4 = (mg.ce).(Tf 0)

Dans un systme isol
Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 0
(m1.ce + CCal).(Tf T1) + (mg.cg).(o Tg) + mg.Lf + (mg.ce).(Tf 0) = 0
Lf = - [(m1.ce + CCal).(Tf T1) + (mg.cg).(o Tg) + (mg.ce).(Tf 0)] / mg

Tel que :
m1 est la masse de l'eau (en kg)
mg est la masse de la glace (en kg);
T1 est la temprature du systme 01 (en K);
Tg est la temprature du systme 02 (en K);
Tf est la temprature l'quilibre thermique (en K);
ce est la chaleur spcifique de l'eau ou la chaleur qu'il doit fournir l'unit de masse de l'eau pour lever sa temprature de 1 C (en j / kg.K) ;
cg est la chaleur spcifique de la glace ou la chaleur qu'il doit fournir l'unit de masse de la glace pour lever sa temprature de 1 C (en j / kg.K) ;
CCal est la capacit calorifique du calorimtre (en j / K) ;
Lf est la chaleur latente de fusion de la glace (en j / kg).

A.N :
Lf = - [(200.10-3. 4190 + 79,81).(6 50) + (100.10-3.2090).(o + 1) + (100.10-3.4190).(6 0)] / 100.1O-3

Lf = 3,76.105 j / kg

La chaleur latente de fusion de la glace est positive, implique que la glace absorbe une quantit de chaleur pour changer son tat physique (passage d'un tat physique solide un tat physique liquide), et onremarque que la chaleur latente de fusion de la glace est pratiquement gale la chaleur latente de l'eau pure, car l'eau de robinet contient des anions, des cations, des gaz dissous, des matires en suspension (sables) et parfois des bactries, qui influences sur la rupture ou l'tablissement de liaisons interatomiques ou intermolculaires.

5.La chaleur latente de solidification (Ls) : (02)
On sait que la solidification est le passage d'un tat physique liquide un tat physique solide, c'est le sens inverse de la fusion, donc dans ce cas la chaleur latente de solidification est gale la chaleur latente de fusion mais en valeur ngative : Ls = - Lf

Ls = - 3,76.105 j / kg

Le systme dgage la chaleur.

6.Le tableau de donnes :


Masse (kg)


T (C)


Calcul


L'chantillon de glace


mg = 0,1


Tg = - 1


-


Calorimtre


-


-


CCal = 79,81 J / k


L'eau froide


m1 = 0,1


T1 = 29


-


L'eau chaude


m2 = 0,1


T2 = 75


-


Mlange de l'eau dans le calorimtre


-


Tf = 50


-


Mlange de l'eau et de la glace dans le calorimtre


-


Tf = 6


-


Chaleur latente de fusion de la glace


-


-


Lf = 3,76.105 j / kg


Chaleur latente de solidification de l'eau


-


-


Ls = - 3,76.105 j / kg





CONCLUSION GENERALE :
Dans le cas o se produit un changement d'tat, on peut dterminer par calorimtrie la chaleur latente de changement d'tat L.

La prsence (05)
La prsentation de TP (02)