Une résistance chauffante plongée dans l’eau convertit-elle toute l’énergie électrique en chaleur utile pour l’eau ? Dans ce TP sur la conversion et le rendement, tu vas mesurer l’énergie électrique reçue et l’énergie gagnée par l’eau pour calculer un rendement.
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Objectif du TP sur la conversion et le rendement
Déterminer expérimentalement le rendement d’un montage chauffant en comparant l’énergie électrique reçue (E = U × I × Δt) à l’énergie thermique gagnée par l’eau (Q = m × c × Δθ).
Matériel
- Une alimentation continue réglable (12 V maximum)
- Un conducteur ohmique chauffant étanche (environ 10 Ω, 25 W) ou thermoplongeur de laboratoire
- Un gobelet en polystyrène avec couvercle percé
- Une balance (précision 1 g) et 200 g d’eau du robinet
- Un thermomètre au dixième de degré et un agitateur
- Un voltmètre et un ampèremètre (ou deux multimètres)
- Un chronomètre
- Des fils de connexion et un interrupteur
Sécurité
Reste en très basse tension (12 V au plus). Ne fais jamais fonctionner la résistance hors de l’eau et ne la touche pas juste après l’arrêt : elle est brûlante. Évite les projections d’eau sur les appareils électriques. Fais vérifier le montage par l’enseignant avant de fermer l’interrupteur.
Protocole
- Pèse le gobelet vide, puis verse 200 g d’eau (masse mesurée à la balance) ; place le couvercle.
- Immerge entièrement la résistance chauffante et le thermomètre ; vérifie qu’ils ne touchent ni le fond ni les parois.
- Réalise le montage avec l’ampèremètre en série et le voltmètre en dérivation ; fais-le vérifier.
- Relève la température initiale θ₀ de l’eau, interrupteur ouvert.
- Ferme l’interrupteur et déclenche le chronomètre ; règle l’alimentation à 12,0 V.
- Note U et I (supposés constants) ; agite doucement en continu.
- Relève la température toutes les 2 minutes pendant 10 minutes et complète le tableau.
- Ouvre l’interrupteur à t = 10 min, attends que la résistance refroidisse avant de la sortir.
Mesures à relever
Masse d’eau m = … kg ; U = … V ; I = … A.
| t (min) | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| θ (°C) | … | … | … | … | … | … |
Questions
- Calcule la puissance électrique P = U × I reçue par la résistance, puis l’énergie électrique E reçue pendant 10 min (en J).
- Trace θ en fonction de t. Quelle est la nature de la courbe obtenue ?
- Détermine l’élévation de température Δθ en 10 min.
- Calcule l’énergie Q gagnée par l’eau : Q = m × c × Δθ, avec c = 4 180 J·kg−1·K−1.
- Calcule le rendement η = Q ÷ E du montage.
- Pourquoi le rendement est-il inférieur à 1 ? Où est passée l’énergie manquante ?
- Pourquoi faut-il agiter l’eau et placer un couvercle ? Cite une limite de la mesure.
Pour aller plus loin
- Prévois la pente de la courbe pour une tension de 6,0 V (puissance divisée par 4) puis vérifie-la.
- Propose une expérience pour évaluer la capacité thermique du gobelet et de la résistance, négligée ici.
