Voici le corrigé du TP sur l’énergie interne : mesures types, détermination de l’énergie massique de fusion de la glace, réponses détaillées et compte rendu modèle. Tes valeurs peuvent varier selon le calorimètre et l’état des glaçons.
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Résultats types : corrigé du TP sur l’énergie interne
| Grandeur | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Masse d’eau tiède | me | 250 | g |
| Température initiale | Ti | 38,0 | °C |
| Masse de glace | mg | 60 | g |
| Température finale | Tf | 16,0 | °C |
| t (s) | 0 | 30 | 60 | 90 | 120 | 150 | 180 | 210 | 240 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| T (°C) | 38,0 | 29,5 | 23,0 | 19,0 | 17,2 | 16,4 | 16,1 | 16,0 | 16,0 |
Réponses aux questions
- Le système est {eau + calorimètre + glace}. Le calorimètre est fermé et isolé : on néglige les échanges thermiques avec l’extérieur (Q ≈ 0) et aucun travail n’est échangé (W = 0) : ΔUtotal = 0.
- Eau et calorimètre : ΔU1 = (me ce + Ccal)(Tf − Ti) < 0. Glace : ΔU2 = mg Lfus + mg ce (Tf − 0) > 0.
- ΔU1 + ΔU2 = 0 donne Lfus = [(me ce + Ccal)(Ti − Tf) − mg ce Tf] ÷ mg.
- (me ce + Ccal) = 0,250 × 4 180 + 45 = 1 090 J·K−1 ; (Ti − Tf) = 22,0 K : 1 090 × 22,0 = 23 980 J. mg ce Tf = 0,060 × 4 180 × 16,0 = 4 013 J. Lfus = (23 980 − 4 013) ÷ 0,060 ≈ 3,33 × 105 J·kg−1.
- Écart relatif = |3,33 × 105 − 3,34 × 105| ÷ 3,34 × 105 ≈ 0,4 % : excellent accord avec la valeur de référence.
- Les glaçons sortis du congélateur sont à une température négative (−18 °C par exemple) : ils absorberaient de l’énergie pour monter à 0 °C avant de fondre, ce qui fausserait le bilan. L’eau de surface non essuyée ajouterait de la masse d’eau liquide comptée à tort comme glace.
- Pertes thermiques vers l’extérieur (le système reçoit de l’énergie) : Tf est trop haute, donc Lfus est sous-estimée. Eau liquide sur les glaçons comptée dans mg : l’énergie de fusion est attribuée à une masse trop grande, donc Lfus est sous-estimée. Glaçons à −5 °C : ils absorbent plus d’énergie que prévu, Lfus apparente est surestimée.
- La température baisse vite au début car l’écart entre l’eau et la glace est grand, puis les échanges diminuent à mesure que tout se rapproche de la même température ; la glace est entièrement fondue et tout le contenu est en équilibre thermique à Tf.
Conclusion et compte rendu modèle
Nous avons mesuré l’énergie massique de fusion de la glace par calorimétrie. Dans un calorimètre de capacité 45 J·K−1, nous avons versé 60 g de glace à 0 °C dans 250 g d’eau à 38,0 °C. Après agitation, la température s’est stabilisée à 16,0 °C. En considérant le système {eau, calorimètre, glace} comme isolé, la première loi de la thermodynamique donne ΔU = 0 : l’énergie perdue par l’eau et le calorimètre, soit 2,40 × 104 J, sert à fondre la glace puis à échauffer l’eau issue de la fusion jusqu’à 16,0 °C, ce qui représente 4,0 × 103 J. On en déduit Lfus = 3,33 × 105 J·kg−1, valeur très proche de la valeur de référence 3,34 × 105 J·kg−1 (écart de 0,4 %). Les incertitudes viennent des températures lues à 0,1 °C près, des pertes thermiques résiduelles et de l’eau présente à la surface des glaçons. Le résultat valide la méthode et la conservation de l’énergie dans un système isolé.
Erreurs fréquentes en TP
- Oublier le terme d’échauffement de l’eau de fusion (de 0 °C à Tf) dans le bilan.
- Oublier la capacité thermique du calorimètre ou se tromper de signe sur les variations d’énergie interne.
- Prendre des glaçons trop froids, non essuyés, ou les laisser fondre avant l’expérience.
- Ouvrir le calorimètre trop longtemps et laisser entrer de la chaleur de l’air.
- Convertir les grammes en kilogrammes sans cohérence entre les masses et les capacités thermiques.