Exercice corrigé de thermodynamique
Détermination de la capacité thermique d'un métal par la méthode des mélanges
Exercice 4 · Leçon 2 — Historique de la thermodynamique et de la calorimétrie
- calorimétrie
- méthode des mélanges
- capacité thermique massique
- calorimètre
- chaleur spécifique
- valeur en eau
Énoncé
On souhaite mesurer, comme le faisait déjà Joseph Black au XVIIIe siècle, la capacité thermique massique d'un métal inconnu par la méthode des mélanges : on chauffe un échantillon de ce métal, de masse , jusqu'à , puis on le plonge rapidement dans un calorimètre contenant d'eau () initialement à . On mesure, une fois l'équilibre thermique atteint, . Dans un premier temps, on néglige la capacité thermique propre du récipient du calorimètre (parois, agitateur, thermomètre).
- Écrire, comme à l'exercice précédent, la conservation de l'énergie du système isolé métal, eau, en faisant apparaître comme seule inconnue.
- En déduire l'expression littérale de , puis sa valeur numérique. À quel métal usuel cette valeur correspond-elle approximativement (comparer aux valeurs de référence : aluminium , fer , cuivre , plomb ) ?
- En réalité, le récipient du calorimètre lui-même absorbe une partie de la chaleur cédée par le métal. On modélise cet effet par une valeur en eau : tout se passe comme si le calorimètre se comportait comme une masse supplémentaire d'eau. Reprendre le calcul de en tenant compte de , et commenter le sens de la correction (le corrigé est-il plus grand ou plus petit que celui de la question 2 ?).
- Pourquoi est-il essentiel, expérimentalement, de plonger l'échantillon rapidement dans le calorimètre, et de bien l'isoler thermiquement de l'air ambiant pendant la mesure ?
Indication
Solution détaillée
2. On isole : Cette valeur est très proche de celle du cuivre (). La correction augmente légèrement : en négligeant la valeur en eau du calorimètre à la question 2, on sous-estimait la quantité de chaleur réellement cédée par le métal (une partie servait aussi à chauffer le récipient), et donc on sous-estimait .