TP de Physique : calorimétrie - loi des gaz parfaits

Résumé du document

La thermodynamique est la science qui étudie et décrit le comportement de la matière ou des systèmes, en fonction des notions de température T, d'énergie (chaleur Q, travail W...) et d'entropie S.

La thermodynamique :

? étudie l'évolution ou les transformations de la matière ou des systèmes en considérant les variations d'état du système, lors d'échanges d'énergie entre le milieu extérieur et le système.

? repose sur 2 notions de base, l'énergie interne (U) et l'entropie (S) qui satisfont aux deux principes suivants, qui stipulent que :
- l'énergie se conserve (premier principe de conservation de l'énergie).
- l'entropie ne peut qu'augmenter (deuxième principe d'évolution).

Au cours de ce TP, nous allons tenter d'illustrer les fondamentaux de la thermodynamique, les propriétés des systèmes physiques et les équations d'états, reliant les grandeurs thermodynamiques, qui les caractérisent.

Matériels utilisés

L'ensemble de ce TP est construit selon deux grandes expériences. La première traite de la calorimétrie et la seconde tente d'illustrer les propriétés des gaz parfaits.
On utilise donc un calorimètre accompagné de thermomètres, d'un multimètre réglé pour mesurer la thermistance, et d'un bloc cylindrique de cuivre.
Pour la deuxième expérience, on se sert d'une machine nous permettant d'étudier les lois de comportement des gaz en fonction de 3 variables d'états telles que la pression P (Pa), la température T(K) et du volume V à laquelle se joint un bain thermostaté pour régler avec précision la température du gaz à étudier.

Calorimétrie

Cette méthode d'étude nous permet de comprendre les échanges thermiques ainsi que l'analyse des bilans associés. A cette échelle, on peut ainsi modéliser les phénomènes se déroulant à une échelle plus importante.

(...) A l'état d'équilibre, un système ne subit aucune évolution à l'échelle macroscopique. Cependant, il existe bien des modifications du système à l'échelle microscopique du point de vue de l'agitation thermique des molécules. Chaque mouvement peut être associé à un gradient d'énergie caractérisant le principe de température (...)

Extraits

[...] Nous allons donc, par palier de température de noter la variation de hauteur du gaz, à partir de laquelle nous pourrons en déduire une variation de pression et de volume selon les formules suivantes : g où g 0,1333 kPa.mm 1333 Pa.cm a 2 car le réservoir contenant le gaz est cylindrique TP3 Calorimétrie - Loi des gaz parfaits 24/02/2010 Commentaires : On remarque, malgré quelques fluctuations, que le produit PV est proportionnel à la température on a donc : PV T avec une constante. Cette courbe correspond donc à la prédiction théorique, où PV est proportionnel à avec n R la pente de cette courbe. Cependant, on ne peut directement en déduire la constante des gaz parfaits R. En effet, d'après la pente de la courbe, nous pouvons obtenir le produit n*R. Il faut tout d'abord trouver le nombre de moles n pour en déduire R. [...]

[...] Néanmoins, cela ne signifie pas qu'il n'y a pas des transferts de chaleur entre les différentes parties de l'ensemble calorimétrique (composés objets de l'étude, accessoires et paroi du calorimètre . Calorimétrie Détermination valeur en eau du calorimètre L'expérience consiste à ajouter à une masse M de 400 g d'eau à température ambiante Ɵi = 296,6 K et une autre masse d'eau m de 300 g à la température d'environ 90°C soit Ɵe = 363K. La mise en contact de ces deux systèmes de températures différentes va former un seul même système qui va évoluer spontanément vers une température finale Ɵf qui correspondra à un équilibre thermique entre les deux systèmes initiaux. [...]

[...] C'est donc une grandeur intensive égale à la capacité thermique rapportée à la masse du corps étudié TP3 Calorimétrie - Loi des gaz parfaits 24/02/2010 Expériences On essaie de déterminer la valeur des températures. Pour cela, on se sert des valeurs de la thermistance données par le multimètre à l'aide d'une sonde placée dans le calorimètre ou sur la masse de cuivre. Rappelons qu'un calorimètre est un appareil destiné à mesurer les échanges de chaleur (énergie calorifique, du latin calor signifiant chaleur). [...]

[...] Par la suite, on mesure les températures Ɵa et Ɵo respectivement les températures ambiantes et du bloc de cuivre grâce à la thermistance de contact TP3 Calorimétrie - Loi des gaz parfaits 24/02/2010 On met le bloc de cuivre dans le calorimètre en remuant régulièrement tout en mesurant l'évolution de la température au cours du temps qui va tendre vers une valeur d'équilibre Ɵf. On à mesuré Ɵa = 296,90 K et Ɵo = 358,35 K temps Rth T K 29,58 302,73 Commentaires : Dans ce cas la température part d'une valeur initiale de 299,36 K pour arriver à une température au bout de 330 s de Ɵf = 302,73 K avec une stabilisation assez net. En effet, on note bien augmentation, due à l'eau qui se réchauffe dans un premier temps. [...]

[...] TP 3 : Calorimétrie - Loi des gaz parfaits Il faut mettre de l'eau dans son vin pour qu'il n'y ait pas d'eau dans le gaz ! Christelle Heurtault TP3 Calorimétrie - Loi des gaz parfaits 24/02/2010 Objectifs du TP La thermodynamique est la science qui étudie et décrit le comportement de la matière ou des systèmes, en fonction des notions de température d'énergie (chaleur travail W . ) et d'entropie S. La thermodynamique : étudie l'évolution ou les transformations de la matière ou des systèmes en considérant les variations d'état du système, lors d'échanges d'énergie entre le milieu extérieur et le système. [...]