NOTION DE QUANTITE DE CHALEUR.

 Notion d’énergie

1.    Définition

        L’énergie est une grandeur physique qui représente la capacité d’un corps ou d’un système à:

Déformer ou déplacer un corps.

  1. Élever la température ou changer l’état physique d’un corps.

L’unité de l’énergie dans le SI est le joule (j), il existe d’autres unités tel que le wattheure (Wh) et 1Wh = 3600j.

Les différentes formes d’énergie

            L’énergie existe sous plusieurs formes qui peuvent se transformer d’une à l’autre, les principales formes sont : L’énergie électrique, mécanique (énergie potentielle de pesanteur, énergie élastique, énergie cinétique), chimique, nucléaire, calorifique…

            L’énergie calorifique se manifeste sous forme de chaleur.

 

 Notion de chaleur

2.    Effets des échanges de chaleur.

Le transfert de chaleur peut avoir pour effet :

  1. De faire varier la température d’un corps ou système.
  2. De provoquer un changement d’état physique.
  3. De favoriser une réaction chimique.

 

Modes de transfert de chaleur.

Les échanges de chaleurs peuvent se faire soit par :

5.     La conduction : C’et la propagation de la chaleur d’un point à un autre, (bâton en fer chauffé, la chaleur se propage tout au long de celui-ci),

6.     La convection : C’est le mouvement pris par un fluide dû aux différentes températures ente les différentes parties du fluide (une eau chauffée, la partie inférieure chauffée monte donnant place à celle supérieure),

7.     Le rayonnement (une eau dans un verre et placé au soleil s’échauffe grâce au rayonnement du soleil).

Mesure des quantités de chaleur

           Pour mesurer les quantités de chaleur, généralement on utilise des appareils appelés calorimètres. Ceux-ci sont des récipients fermés dont les parois sont constituées d’isolent thermique. Ces parois ne permettent pas d’échanges de chaleur avec l’extérieur : Les calorimètres sont donc considérés comme des enceintes adiabatiques (les échanges de chaleur entre l’intérieur et l’extérieur sont presque nuls).

Les calorimètres généralement utilisés en laboratoire sont le calorimètre de Berthelot et le calorimètre de Dewar.

 

 

 

Principe des échanges de chaleur.

Lorsque plusieurs corps sont dans une enceinte adiabatique, la somme algébrique des quantités de chaleur échangées pour atteindre l’équilibre thermique est nulle :                                                                                           

∑Q = 0

 

3.    Expression de la quantité de chaleur échangée par un corps ne subissant pas de changement d’état.

L’expérience montre qu’au cours de l’échauffement d’un corps, la quantité de chaleur Q reçue par celui-ci est proportionnelle à sa masse et à la variation de sa température. Ainsi, m représentant la masse de ce corps, et Δθ la variation de température subit par le corps, nous aurons

 

 

Zone de Texte: Q = mcΔθ = mc(θf – θi)  


.

 

 

 

 

 

C  est une constante qui dépend de la nature du corps et est appelée chaleur massique de la substance constituant le corps.

Exemple : CH2O=4190j/kg/K

   représente la variation de température en kelvin(K)

M est la masse du corps en kilogramme (kg)

Q est la quantité de chaleur en joules(J)

 

Relation entre le degré Celsius et le degré kelvin

 

 

Zone de Texte: T = t + 273 (K) (°C)                        

 

 

 

 

 

 

Remarques :

  1. Il existe une autre unité pour la quantité de chaleur : La calorie (cal) et 1cal = 4,18j.

 

Dans l’expression Q = mC(θf – θi), le produit mC généralement noté K est appelé capacité thermique ou capacité calorifique du corps considéré d’où

 

Zone de Texte: Q = kΔθ                                                                 

 

 

 

 

 

Capacité thermique d’un calorimètre.

Généralement, le calorimètre participe aux échanges thermiques. Il faut donc prendre en compte la valeur de sa capacité thermique c ou k.

Expression de la quantité de chaleur échangée par un corps qui subit un changement d’état.

La matière se présente sous trois états physiques à savoir, l’état solide, liquide et gazeux. Très souvent, pour passer d’un état à un autre, la matière peut :

  1. Soit céder de la chaleur au milieu extérieur,
  2. Soit en recevoir.

On appelle chaleur latente de fusion d’un corps pur généralement noté Lf, la quantité de chaleur à fournir à l’unité de masse de ce corps pris à sa température de fusion pour l’emmener entièrement à l’état liquide. Cette transformation s’effectue à température constante. Dans le SI, la chaleur latente s’exprime en j/kg. Dans le cas où l’on veut faire fondre une masse m d’un corps pris à sa température de fusion, la quantité de chaleur nécessaire pour la fusion totale de ce corps est donnée par la relation

Zone de Texte: Q = mLf,

 

 

 

 

Q en joules(J)

m en kilogramme (kg).

Lf en joules par kilogramme(Jkg-1)

On appelle chaleur latente de vaporisation d’un corps pur notée Lv, la quantité de chaleur qu’il faut  fournir à l’unité de  masse de ce corps pur pris à la température de vaporisation pour l’emmener  entièrement à l’état vapeur. Pendant ce changement la température reste constante. La chaleur latente de vaporisation s’exprime en j/kg. Ainsi, pour vaporiser entièrement un liquide de masse m pris à sa température de vaporisation, la quantité de chaleur nécessaire donnée par la relation 

Zone de Texte: Q = mLv
 


Q en joules(J)

men kilogramme (kg).

                                                        Lven joules parkilogramme(Jkg-1)

EXERCICES

EXERCICE I :

Calculer la quantité de chaleur nécessaire pour porter une massed’eau de 300g, initialement à 25°C à une température finale de 35°C.

On donne la chaleur massique de l’eau : 4190 J.kg-1.K-1.

 

EXERCICE II :

On mélange dans une enceinte adiabatique 5Ld’eau à25°Cavec 7L d’eau à60°C.Quelle est la température finale prise par l’eau contenue dansl’enceinte ?

 

EXERCICE III :

Un calorimètre contient une masse d’eau 200g à latempérature 18°C. On y ajoute une certaine quantité d’eau tiède de masse 100get de température 25°C. A l’équilibre thermique, la température du mélange est20,3°C.

1-Quelle est l’expression de la quantité de chaleur reçuepar le système qui s’échauffe ?

2-Quelle est l’expression de la quantité de chaleur perduepar le système qui se refroidit ?

3-En déduire la capacité calorifique du calorimètre.

 

EXERCICE IV :

1. Déterminer la quantité de chaleur nécessairepour faire fondre une massede 30g de glace pris à 0°C.

 On donneLf= 335j/kg.

2. On désire chauffer une masse d’eau de 300g,initialement à 25°C, jusqu’à la vaporisation. L’eau passe de l’état solide àl’état vapeur à 100°C sous la pression atmosphérique. Calculer la quantité dechaleur reçue par cette masse d’eau sachant que la chaleur latente devaporisation de l’eau est de 2,25.106J.kg-1.

3.Quelle quantité de chaleur faut-il fournir àun morceau de plomb de masse m=200g, pris à latempérature θ1=25°C, pour leporter à latempérature θ2=375°C.

On donne :

-température de fusion du plomb :θf=327°C ;

-chaleur latente de fusion du plomb :Lf=26,3.J.kg-1.

-chaleur massique du plomb à l’étatsolide :cs=129J.kg-1. °C-1.

--chaleur massique duplomb à l’état liquide :cL=142J.kg-1.°C-1.

 

EXERCICE V :

Situationproblème
          L'étain est un corps solide à températureambiante. Il est utilisé pour la soudure des composants électroniques.
Jean technicien de réparation des appareils électroniques, projette d'utiliserle dispositif ci-contre constitué de deux thermoplongeurs pour faire fondre 100g de morceaux d'étain pris à 20'C en moins de 5,0 s afin de respecter le timingde dépannage imposé par les clients. Jean est préoccupé et se demande si ledispositif sera à mesure de le satisfaire.
Par ailleurs compte tenu des contraintes financières, l'utilisation de cedispositif n'est possible que si le coût en énergie électrique est négligeable( c'est-à- dire inférieur à 1 Fcfasymbolique)en 10 s d'utilisation.
thermoplongeur

Document1 : Caractéristique du système constitué par les deux thermoplongeurs.
Rendement est η=0,80
Puissance calorifique ( utile) Pc = 2,0kw
Document 2 : Coût énergétique
1kW.h = 3,6 405i
1kW.h coûte 75 Fcfa
Document 3 : Propriétés physiques de l'étain
Malléable et résiste à la corrosion.
Température de fusion :Tf = 232°C
Chaleur massique : C = 228 J/kg.K
Chaleur latente de fusion :Lf = 6000J/k
En exploitant les informations ci-dessus et en utilisant une démarchescientifique,
1 -Examine la préoccupation de Jean sur la capacité du dispositif à lesatisfaire. 
2- Examine sur le pian financier s'il est possible d'utiliser cedispositif. 

EXERCICEVI :


Situation problème : Vérification de la pureté du fer 
Pour la construction d'un immeuble, un entrepreneur souhaite acheter du fer àBéton. Pour s'assurer de la pureté de celui-ci, il a contacté le laboratoire dephysique d'un collège avec un échantillon d'un kilogramme dudit fer. Celaboratoire, dispose d'un calorimètre jamais utilisé dont la valeur en eaumarquée est μ=18,2 g, on y trouve aussi des dispositifs pourchauffer ou refroidir des corps. L'enseignant responsable du laboratoire aréalisé les deux expériences suivantes :
Expérience 1 :
Dans ce calorimètre contenant initialement 200 g d'eau à la température de25,3°C, on verse 300 g d’eau à la température de 17,7 °C. On observe que latempérature du mélange se stabilise à 20,9°C.
Expérience 2 :
Dans le même calorimètre contenant 500 g d’eau à 20,9 °C, on plonge le bloc defer à la température de 48°C. La température se stabilise à 14,2 °C.
Chaleur massique de l'eau ce=419o J.kg/C, chaleur massique du ferpur cFe= 470 J/kg.K
En exploitant les informations ci-dessus,
1 Prenez position sur la valeur en eau u qui est marquée.
2 À l'aide d'un raisonnement scientifique, prononcez-vous sur l'état de puretédu morceau de fer afin de permettre à l’entrepris de se décider sur lacommande. 

 



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CORRIGES

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