Un glaçon dans un verre d’eau tiède refroidit la boisson : d’où vient l’énergie qui fait fondre la glace, et combien en faut-il ? Dans ce TP sur l’énergie interne, tu vas utiliser un calorimètre et la conservation de l’énergie pour mesurer l’énergie massique de fusion de la glace.
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Objectif du TP sur l’énergie interne
Mesurer l’énergie massique de fusion Lfus de l’eau par calorimétrie, en appliquant la première loi de la thermodynamique à un système isolé, puis comparer à la valeur de référence 3,34 × 105 J·kg−1.
Matériel
- Un calorimètre (bouteille isotherme à large goulot ou vase isolé) avec couvercle
- Un thermomètre numérique à 0,1 °C près ou une sonde
- Un agitateur
- Une balance à 0,1 g près
- Environ 250 g d’eau tiède à 38 °C
- Des glaçons sortis du congélateur (environ 60 g au total)
- Du papier absorbant et un chronomètre
- Un bécher et une pince
Sécurité
L’eau tiède ne présente pas de danger, mais essuie toute projection pour éviter les glissades. Manipule le thermomètre en verre éventuel avec précaution et ne le fais pas rouler sur la paillasse. Ne consomme ni l’eau ni les glaçons utilisés dans le calorimètre.
Protocole
- Pèse le calorimètre vide puis avec environ 250 g d’eau tiède : note la masse d’eau me à 0,1 g près.
- Referme, agite doucement et relève la température initiale Ti quand elle est stable.
- Sors les glaçons du congélateur et laisse-les 2 minutes sur du papier absorbant pour que leur surface commence à fondre (donc à 0 °C), puis essuie-les.
- Démarre le chronomètre à l’instant t = 0, ajoute rapidement les glaçons, referme le calorimètre et agite doucement en continu.
- Relève la température toutes les 30 s jusqu’à ce qu’elle se stabilise au moins 1 minute : note la température finale Tf.
- Pèse à nouveau le calorimètre avec son contenu : déduis la masse de glace mg = mfinale − minitiale.
- Reporte les points dans le tableau et sur le repère, puis réponds aux questions.
Mesures à relever
| Grandeur | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Masse d’eau tiède | me | … | g |
| Température initiale | Ti | … | °C |
| Masse de glace | mg | … | g |
| Température finale | Tf | … | °C |
| t (s) | 0 | 30 | 60 | 90 | 120 | 150 | 180 | 210 | 240 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| T (°C) | … | … | … | … | … | … | … | … | … |
Données : ceau = 4 180 J·kg−1·K−1 ; capacité thermique du calorimètre Ccal = 45 J·K−1 ; Lfus de référence = 3,34 × 105 J·kg−1.
Questions
- Définis le système étudié et justifie qu’on peut le considérer comme isolé.
- Écris la variation d’énergie interne de l’eau et du calorimètre, puis celle de la glace (fusion puis échauffement jusqu’à Tf).
- Applique la première loi au système isolé et établis l’expression de Lfus en fonction des grandeurs mesurées.
- Calcule Lfus avec tes mesures.
- Calcule l’écart relatif avec la valeur de référence et conclus.
- Pourquoi faut-il essuyer les glaçons et attendre qu’ils soient à 0 °C ?
- Cite deux sources d’erreur et indique pour chacune si Lfus est surestimée ou sous-estimée.
- Interprète l’allure de la courbe T(t) : pourquoi la température de l’eau finit-elle par se stabiliser ?
Pour aller plus loin
- Refais l’expérience avec plus de glace : jusqu’à quelle masse la glace fond-elle entièrement ?
- Détermine Ccal en mélangeant de l’eau chaude et de l’eau froide dans le calorimètre vide.
