TRAVAUX DIRIGES PHYSIQUE PREMIERE D ET F

THEME  : NOTION DE QUANTITE DE CHALEUR

On donne : 

Chaleur massique de l’eau : Ce = 4185 J/Kg.K

Chaleur massique de l’aluminium : Ce = 890 J/Kg.K

Chaleur massique de la glace : Cg =2090 J/Kg.K

Chaleur latente de fusion de la glace (0°C) : Lf = 3,3.10⁵ J/Kg

Chaleur latente de vaporisation de l’eau : Lv = 2260 KJ/Kg

Masse volumique de l’eau : ρ = 1000 Kg/m³

chaleur massique du cuivre c = 380 J.kg^-1.K^-1

Partie I : Evaluation des ressources

  Exercice 0: Evaluation des savoirs

1.        Définir : Quantité de chaleur ;  enceinte adiabatique, capacité thermique massique.             

2.        Enoncer le principe des échanges de chaleur.

3.        Comment appelle t- on le phénomène pour une eau chauffée pendant longtemps à température élevée de se mettre en mouvement ?                                                                

4.        Citer les différents modes de transfert de chaleur. 

5.        Répond par « vrai » ou « faux »

5.1                       L’énergie, le travail et la quantité de chaleur s’expriment avec la même unité.

5.2                       Une quantité de chaleur est toujours positive.

5.3                       Pendant l’ébullition de l’eau pure, la température reste constante : l’eau n’absorbe pas la chaleur pendant l’ébullition.

Exercice 1                        

Une casserole en aluminium de masse M = 200 g renferme 1,5 litre d’eau à la température initiale                   T₁ = 70°C. On laisse refroidir l’ensemble jusqu’à la température T₂ = 30°C.

1.    Déterminer la masse m₁ de l’eau

2.    Déterminer la capacité thermique C du système (casserole-eau)

Exercice 2

On prélève un morceau de glace de masse m = 50 g dans un congélateur où la température vaut                      T₁ = -10°C. On l’abandonne sur un plat dans une pièce où la température est maintenue constante et égale à T₂ = 2O°C.

1.    Déterminer les phases successives lors de l’évolution du morceau de glace. Quel est son état initial ?

2.    Calculer l’énergie transférée au morceau de glace.

Exercice 3

On veut obtenir 10 litres d’eau distillée en chauffant de l’eau du robinet prise à 15°C.

1.    Déterminer la variation d’énergie calorifique de 1O litres d’eau liquide qui passe de 15°C à 100°C.

2.    Déterminer la quantité de chaleur qui pourra transformer cette eau en vapeur à  100°C sous la pression de 1 bar.

3.    Déterminer la quantité de chaleur qu’il a fallu transférer à l’eau  pour la faire passer de 15°C à 100°C.

4.    On condense la vapeur à l’aide d’un réfrigérateur pour obtenir 10 litres d’eau distillée à 15°C. Déterminer la quantité de chaleur cédée au réfrigérant au cours de cette condensation.

Exercice 4

Un chauffe-eau à gaz débite 5 litres d’eau chaude par minute. L’eau entre dans l’appareil à 15°C et en sort à 60°C.

1.    Déterminer la quantité de chaleur reçue par l’eau en une heure.

2.    Déterminer la consommation horaire de gaz sachant que la combustion de 1 m ³ de gaz fournit 1338 KJ et que les pertes de chaleur représentent 20% de la chaleur provenant de la combustion du gaz.

Exercice 5 : 

1.    Enoncer le principe des échanges de chaleur.

2.    Un calorimètre de capacité calorifique K=180 j.K^-1 contient une masse m₁=300g d’eau. La température initiale d’équilibre de cet eau est t₁=19.8^oC. On y plonge un bloc de plomb, de masse m₂=265g sortant d’une étuve a la température t₂=95^oC. La température finale est alors t_f=21.5^oC. Calculer la capacité thermique massique du plomb. On donne : C_eau=4180 J.Kg^-1.^oC.

3.    Calculer la quantité de chaleur nécessaire pour porter un bloc d’étain de masse m=300g pris a la température T₁=18^oC a la température T₂=320^oC sachant que la température de fusion de l’étain est de 232^oC. On donne Chaleur massique de l’étain C=2.2x10²j/Kg.K chaleur massique de l’étain liquide C’=2.4x10² j/Kg.K ; chaleur latente de fusion de l’étain L_f=6.104 j/Kg.

  Exercice 6

1.            énoncer le principe des échanges de chaleur.

2.            Un calorimètre de capacité calorifique K=180 j.K^-1 contient une masse m₁=300g d’eau. La température initiale d’équilibre de cet eau est t₁=19.8^oC. On y plonge un bloc de plomb, de masse m₂=265g sortant d’une étuve a la température t₂=95^oC. la température finale est alors t_f=21.5^oC. calculer la capacité thermique massique du plomb. On donne : C_eau=4180 J.Kg^-1.^oC.

3.            Calculer la quantité de chaleur nécessaire pour porter un bloc d’étain de masse m=300g pris a la température T₁=18^oC a la température T₂=320^oC sachant que la température de fusion de l’étain est de 232^oC. On donne Chaleur massique de l’étain C=2.2x10²j/Kg.K chaleur massique de l’étain liquide C’=2.4x10² j/Kg.K ; chaleur latente de fusion de l’étain L_f=6.104 j/Kg.

Exercice 7

Un thermomètre, forme d’une tige de verre de masse 20g, et contenant 0.6cm³ de mercure, est plongé dans un calorimètre en laiton, de masse 100g. Un agitateur en verre, placé dans le calorimètre, a une  masse de 15g.

1.            calculer la capacité thermique du calorimètre.

2.            On appelle valeur en eau du calorimètre, la masse d’eau qui a la même capacité thermique. Calculer cette masse.

3.            Pour effectuer une mesure, on introduit 400g d’eau. Peut-on négliger la capacité thermique du calorimètre devant celle de l’eau introduite ?

Donnés : C_laiton=370j/kg.K ; C_verre=0,84j/kg.k ; C_mercure=0,14j/g.k ; ρ_mercure = 13,6g/cm³ ; C_eaau = 4180j/kg.k

EXERCICE : 8 

Un calorimètre de capacité calorifique K = 180 J.K^-1 contient une masse m₁ = 300 g d’eau .la température initiale  d’équilibre est ϴ₁= 19,8 °C .on y plonge un bloc de plomb, de masse m₂ = 265 g sortant d’une étuve à la température  ϴ₂ = 95 °C, la température finale est ϴ_f = 21,5 °C, calculer la capacité thermique massique du plomb.

On donne : C_eau = 4180 J.Kg^-1. °C^-1

EXERCICE : 9

Un calorimètre en cuivre dont la masse est m = 100 g contient m₁ = 200 g d’eau à la température ϴ₁=4°C on introduit m₂ = 300 g de cuivre à la température ϴ₂= -20°C  on agite le mélange jusqu’à ce que la température soit uniforme. 

1-           quelle est la température d’équilibre  ϴ_e ?    

2-           montrer que si le cuivre introduit dans le calorimètre est à la température ϴ ^‘₂=-50 °C une partie de l’eau se congèle.

3-           Calculer alors dans ce cas la masse d’eau congelée                                                                                      

Donnée : chaleur massique du cuivre : C₂ = 380 J/Kg/K, de l’eau : C_eau = 4185 J/Kg/K et chaleur de fusion de la glace L_f = 330 KJ /kg

EXERCICE : 10

Une plaque chauffante de cuisinière électrique sert a échauffer 1 L d’eau pris à la température ϴ₁= 20°C.

1-   Calculer l’énergie Q₁ reçue par l’eau si la température finale est ϴ_f = 80 °C.                                        

2-    l’eau reçoit au cours du chauffage 60 % de l’énergie fournie par la plaque 

2-1- quelle est la valeur de l’énergie Q fournie par la plaque                                                                         2-2-sachant que le verre de la cocote reçoit 25 % de Q , quelle quantité de chaleur reçoit la cocote ?    

2-3- que représentent les 15 % d’énergie non reçue par la cocote et l’eau ?                                                             

3- calculer la capacité calorifique de l’ensemble [eau + cocotte]                                                                        

Donnée : capacité thermique de la cocotte : K₂ = 20 J/°C

Exercice 11 : Evaluation de savoir-faire et savoir-être

A/ Un calorimètre contient 100g d’eau à 20°C. on ajoute 80g d’eau à 50°C.

1-              Quelle serait la température d’équilibre θ_e  si on pouvait négliger la capacité thermique K du calorimètre ?

2-              On constata que la température d’équilibre est en réalité θ_e  = 32°C Déterminer K. On donne C_eau= 4,2 kJ.kg^-1.K^-1.

3-              Le même calorimètre contient à présent 100g d’eau à 20°C. On y plonge un échantillon en aluminium, de masse m = 50g, sortant d’une étuve à 90°C. La température d’équilibre étant θ_e  = 26°C, calculer la chaleur massique C_al de l’aluminium.

1.        Pour alimenter un lave-main, on utilise un chauffe-eau  à gaz qui fournit de l’eau chaude avec un débit  d = 6 L/min. L’eau pénètre dans un chauffe-eau à  θ₁ = 25°C avec le même débit. A la sortie, la température  de l’eau s’élève à jusqu’à         θ₂ = 70°C.

  1.1Déterminer la quantité de chaleur Q reçue par l’eau pendant t = 2 min.

1.2 L’eau ne reçoit que 75% de l’énergie dégagée par la combustion du gaz. 

     Déterminer la quantité totale d’énergie W que doit dégager la combustion        du gaz en t = 5min.

2.        On désire obtenir un bain d’eau tiède à la température θ = 40°C, d’un volume total V = 250 L, en mélangeant un volume V₁ d’eau à la température θ₁ =80°C et un volume V₂ d’eau froide à la température θ₂ = 15°C.

       Déterminer V₁ et V₂ en supposant négligeables les fuites thermiques lors du mélange.

3.        On prélève un morceau de glace de masse m = 150g dans un congélateur à la température                      θ₁ = -15°C. On transfère à ce glaçon une quantité de chaleur Q = 20kJ.

3.1-                 Quelle quantité de chaleur doit-on transférer au glaçon pour qu’il atteigne sa température de fusion ?

3.2-                 Quelle quantité de chaleur doit-on fournir au morceau pris à sa température de fusion pour la rendre totalement liquide ?

3.3-                 Déterminer l’état final et la température finale du système.

C/ Un récipient en aluminium à usage domestique a une masse m =500g. 1- Quelle est sa capacité thermique ?

2-              Le récipient étant initialement à la température θ₁ = 20°C. on y introduit un demi-litre d’eau à la température θ₂ = 30°C. Quelle est la température finale θ ? On néglige les fuites thermiques.

3-              Quelle quantité minimale de chaleur faut-il fournir au système (récipient + eau) pour porter sa température à la valeur θ₃ = 80°C ?

4-              Pour évaluer les fuites thermiques existant à cette température. On laisse le système se refroidir à l’air libre. Après une minute d’attente, la température est θ₄ = 78,5°C. Quelle est la quantité de chaleur perdue par seconde par le système ?

On donne la chaleur massique de l’aluminium c₁ = 890 J.kg^-1.K^-1, la chaleur massique de l’eau c₂ = 4,2 kJ.kg^-1.K^-1.

D/ Dans un calorimètre contenant 100g d’alcool éthylique à la température θ₁ = 15°C, on introduit 100g d’alcool à la température θ₂ = 25°C. La température finale est θ_f = 19°C

1-              Calculer la capacité thermique et la valeur en eau du calorimètre. Les chaleurs massiques respectives de l’alcool et de l’eau sont 2,4kJ.kg^-1.K^-1 et 4,2 kJ.kg^-1.K^-1.

2-              On ajoute 100g d’alcool éthylique à 40°C. Quelle est la température finale ?

         Partie II : Evaluation des compétences

Situation problème 1 : Abbo fait sortir d’un congélateur, un morceau de viande de masse m₁ = 400g à la température θ₁= -25°C et le plonge dans un calorimètre de capacité thermique négligeable, contenant une masse m₂ = 200g d’eau à la température initiale θ₂ = 10°C. Il souhaite déterminer l’état final d’équilibre.

Tâche : Aidez-le à déterminer l’état final d’équilibre du système

Consigne : On calculera la température finale du système, masse des différents corps présents dans le calorimètre). On donne : 

•           Chaleur massique de l’eau : Ce = 4185 J.kg^-1.K^-1

•           Chaleur massique de la glace : Cg = 2090 J.kg^-1.K^-1  

•           Chaleur massique de la viande : C_vi = 460 J.kg^-1.K^-1

•           Chaleur latente de fusion de la glace à 0°C : L_f = 3.34x10⁵ J.kg^-1.

Situation problème 2 : M. Appo est un forgeron du village qui fabrique les outils de l’artisanat. Il place dans un four, un morceau de fer de masse 22,3g pour fabriquer une machette. Son enfant Aminou élève en classe de première scientifique après avoir lu son cours sur la notion de quantité de chaleur, souhaite déterminer la température du four. Il fait sortir le morceau de fer du four et le plonge rapidement dans un calorimètre contenant 450g d’eau à 15°C ; il constate que la température de l’eau s’élève jusqu’à 22,5°C. Tâche 1 : Aidez-le à déterminer la température de four si la chaleur massique du fer est de 480 J.kg^-1.°C^-1.

 On donne la chaleur massique de l’eau : Ce = 419 J.kg^-1.°C^-1

Tâche 2 : Dans la détermination de cette température, on constate qu’on a pas tenu compte de la capacité thermique du calorimètre qui vaut, en réalité 84J.°C^-1. Y a-t-il lieu de corriger les résultats ?

Tâche 3 : Quelle est la chaleur massique du liquide si elle décide de remplacer l’eau du calorimètre par un liquide de 100g à la température de 15°C. Le même morceau de fer, préalablement porté à 100°C est plongé dans le liquide dont la température s’élève à 19,1°C.