transfert d'énergie chimie lycée

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cours 1
chaleur et travail
L'énergie peut être transferée sous forme de:
  • chaleur, Q ou énergie thermique échangée: c'est de l'énergie en mouvement dont l'écoulement se fait d'un milieu chaud à un milieu de plus basse température.
  • travail, W, qui peut être mécanique (force x déplacement)
ou électrique (tension x charge ).

Chaleur et travail sont des quantités d'énergie échangées lors d'une transformation.


mode de transfert de chaleur
  • rayonnement : Une barre de fer chauffée émet d'abord un rayonnement IR, puis un rayonnement rouge, puis un rayonnement contenant de plus en plus de lumière blanche.
Un corps chaufé émet un rayonnement sous forme ondes électromagnétiques.
  • conduction : les métaux sont de bons conducteurs de la chaleur. Chauffons l'extrémité d'une barre de fer, la chaleur se propage dans toute la barre.
  • convection : la masse volumique d'un fluide dépend de la tempèrature. Si la température n'est pas uniforme, les courants de convection transfert de la chaleur des zones les plus chaudes vers les zones les plus froides.
    effets de la chaleur
  • augmentation de la température sans changement d'état physique
Q = m c Dq

Q: joule ; m kg ; Dq degré

c: capacité thermique massique J kg-1 K-1

mc: capacité thermique J K-1

pour élever de 1° la température de 1 kg de cuivre il faut fournir 385 J

pour élever de 1° la température de 1 kg d'eau il faut fournir 4180 J


changement d'état physique à température constante

Q = mL

L : chaleur latente de changement d'état physique à température constante J kg-1

à 0°, la fusion de 1 kg d'eau nécessite 335 kJ

à 100° la condensation de 1 kg de vapeur d'eau libère 2 262 kJ


exercice 1
four électrique
Cent tonnes de ferrailles sont chauffées dans un four électrique afin d'obtenir du fer liquide à 1535°C. La température initiale est 20°C. La durée de l'opération dure 5 heures et le rendement du four est de 70%. Cfer=450 Jkg-1 K-1. Lfusion fer= 270 kJ kg-1.
  1. Quelle est l'énergie nécessaire. En déduire la puissance du four.
corrigé


Energie (J) nécessaire à :
  • porter le solide de 20 à 1535°C: mcDq = 105*450*1515= 6,8 1010 J
  • fusion du fer à 1535°C : mL = 105*2,7 105= 2,7 1010 J
total : 9,5 1010 J
en tenant compte du rendement

9,5 1010 / 0,7 = 1,36 1011 J

puissance (watt)=énergie(J) / durée(seconde)

P = 1 36 1011 / (5*3600) = 7,5 106 W




exercice 2
fusion de la glace

100g de glace prise à -10°C sont chauffés dans un récipient. Le dispositif de chauffage à un rendement de 80% et sa puissance est P=2kW. On coupe le chauffage lorsque toute la glace est fondue, l'eau de fusion étant à 0°C. Quelle est la durée du chauffage ?

C glace=2100 JK-1 ; Lfusion glace =330 kJkg-1.
corrigé


Energie (J) nécessaire à :
  • porter le solide de -10 à 0°C: mcDq = 0,1*2100*10= 2,1 103 J
  • fusion de la glace à 0°C : mL = 0,1*3,3 105= 3,3 104 J
total : 3,51 104 J
en tenant compte du rendement

3,51 104 / 0,8 = 4,39 104 J

puissance (watt)=énergie(J) / durée(seconde)

temps= 4, 39 104 / 2000 = 22 s


exercice 3
chaleur de réacion NaOH + HCl
Dans un calorimètre (200JK-1), on mélange 0,1 L de solution de soude à 2 molL-1 et 0,1L de solution d'ac. chlorhydrique à 2 molL-1. L'augmentation de température est de 43 °C lors de la réaction.

C solution=4180 Jkg-1K-1. NaOH=40 ; HCl=36,5 gmol-1.

  1. Calculer la masse des réactifs, l'énergie libérée lors de la réaction, l'énergie libérée par mole de réactif.

corrigé

masse

Qté de matière mole = volume(L) * concentration (mol L-1)

0,1*2=0,2 mol soit 40*0,2=8 g de soude et 0,2*36,5 = 7,3 g acide

total 15,3 g=0,0153 kg


chaleur libérée

mcDq= (0,0153*4180 + 200)*43 = 11350 J pour 0,2 mol de chaque réactif

ou bien 11350*5= 57 kJ mol-1. réaction exothermique

 

exercice 4
déterminer une capacité thermique massique

Dans un calorimètre (200JK-1), contenant 200g d'eau à 18°C, on plonge 100g de cuivre pris dans une étuve à 80°C. C eau=4180 Jkg-1K-1. La tempèrature d'équilibre est 20,2 °C. Quelle est la capacité thermique massique du cuivre ?


corrigé


Energie
  • gagnée par le calorimètre et l'eau qu'il contient: (200 + 0,2*4180)2,2= 2235 J
  • cédée par le cuivre 0,1*C*(80-20,2)=5,98 C
L'énergie cédée par le cuivre est gagnée par l'eau et le calorimètre.

2235=5,98 C ........Ccuivre = 376 Jkg-1K-1.


exercice 5


  1. Un calorimètre contient une masse m1= 500g d'eau à température t1=19°C. On y introduit une masse m2= 150g d'eau à la température t2=25,7°C. La température finale est tf=20,5°C. Calculer la capacité thermique du calorimètre ?C eau =4180 JK-1 kg-1
  2. Dans le même calorimètre contenant maintenant 750g d'eau à 19°C, on immerge un bloc de cuivre de 550g porté à 92°C . La température finale est 23,5°C. Quelle est la capacité thermique massique du cuivre?
  3. Quelle quantité de soda peut on refroidir de 30°C à 10 °C avec un cube de glace de 25g qui sort du réfrigérateur à 0°C? C soda =4180 JK-1 kg-1. chaleur latente de fusion de la glace:Lf=335 kJkg-1.
    corrigé
L'eau chaude transfert la chaleur Q1 au calorimètre et à l'eau qu'il contient :

Q1 = 0,15*4180*(25,7-20,5)= 3260,4 J

capacité thermique de :

l'eau froide : 0,5*4180=2090 JK-1.

du calorimètre : m

total : m + 2090

chaleur gagnée par les corps froids :

Q2=(m + 2090)*(20,5-19)=1,5 m + 3135

1,5 m + 3135 =3260,4

m = 83,3 JK-1.


Le cuivre transfert la chaleur Q1 au calorimètre et à l'eau qu'il contient :

Q1 = (0,75*4180 + 83,3)*(23,5-19)= 14482 J

chaleur cédée par le cuivre:

Q2=0,55 * c *(92-23,5)= 37,67 c

37,67 c =14482

c = 384,4 JK-1kg-1.


Le soda transfert de la chaleur à la glace qui fond à 0°C puis l'eau de fusion se réchauffe .

chaleur cédée par le soda : m*4180*(30-10)= 83600 m

chaleur nécessaire à :

la fonte de la glace :0,025*335 000= 8375 J

25 g d'eau se réchauffe : 0,025*4180*(10-0)=1045 J

total : 9420 J

c = 9420 / 83600 = 112,7 g


exercice 6


  1. L'eau d'une rivière à température 16°C est utilisée pour la condensation de la vapeur d'eau usée d'une centrale nucléaire. La température initiale de la vapeur est 130°C. La température de l'eau à la sortie de la condensation vaut 60°C. Quelle est la quantité d'eau de la rivière nécessaire pour condenser 1Kg de vapeur? Chaleur de vaporisation de l'eau:2 260 kJkg-1.C vapeur d'eau: =2090JK-1kg-1. Ceau liquide=4180JK-1kg-1.
  2. Une maison bien isolée de surface 90m2 a une hauteur sous plafond de 2,5m. Le chauffage est réglé pour que la température intérieure soit égale à 21°C. La température extérieure vaut 10°C. Calculer la puissance perdue si toutes les 3 heures, tout l'air de la maison est renouvelé par l'air extérieur. Cair =1kJK-1kg-1.Masse volumique de l'air à 20°C:1,2 kgm-3.
    corrigé
La vapeur d'eau transfert de la chaleur à l'eau de la rivière.

chaleur cédée par 1 kg de vapeur :

la vapeur se refroidit : 2090*(130-100)= 62700 J

la vapeur se condense à 100 °C : 2 260 000 J

1kg d'eau se refroidit : 4180*(100-60)= 167 200 J

total : 2,49 106 J

m kg d'eau de la rivière gagnent :

m*4180*(60-16)= 183 920 m

m= 2,49 106 /183 920 = 13,54 kg


masse (kg) d'air contenu dans la maison : volume(m3)* masse volumique de l'air kgm-3.

90*2,5 *1,2 = 270 kg

Chaleur gagnée par l'air extérieur :

270* 1000*(21-10)= 2,97 106 J

puissance perdue (watt)=énergie(J)/ durée (seconde)

2,97 106 /(3*3600)= 275 W


On se propose de déterminer expérimentalement la variation d’énergie interne de 1g d’eau liquide lorsque sa température augmente de 1°C.

Pour cela, on apporte de l’énergie par mode travail mécanique à de l’eau contenue dans un calorimètre (un calorimètre est un vase très bien calorifugé, c’est à dire qu’il limite au mieux le transfert thermique entre l’intérieur du vase et le milieu environnant)

Deux cylindres D et D’ ont chacun une masse M. Pendant leur descente qui s’effectue sur la hauteur h , elles entraînent en rotation un ensemble de palettes dans l’eau du calorimètre ; on remonte ces cylindres avec une manivelle, et pendant la remontée, un système de découplage permet de ne plus entraîner les palettes qui alors sont immobiles. Pendant la descente, le système mécanique qui transforme le mouvement de translation des masses en mouvement de rotation des palettes a un rendement énergétique de 45%.

  1. Etablir la variation d’énergie d’un cylindre D ou D’ pendant la remontée sur la hauteur h ; quelle est la nature de cette énergie ?
  2. Etablir l’expression de la variation d’énergie interne de l’eau du calorimètre au bout de n descentes.
  3. Pour l’application numérique M = 1,00 kg ; h =1,5 m ; le volume d’eau dans le calorimètre est 0,50 L ; on constate qu’après n = 140 descentes , la température de l’eau s’est élevée de 0,89 °C.
    - Calculer la valeur de la variation d’énergie interne de l’eau du calorimètre.
    - Quelle est la valeur de la variation d’énergie interne de 1 g d’eau liquide lorsque sa température augmente de 1°C ?

corrigé
variation d’énergie d’un cylindre D ou D’ pendant la remontée sur la hauteur h :

c'est la variation d'énergie potentielle D Ep=Mgh ; nature, c'est de l'energie était mécanique.

L'énergie interne est l'énergie emmagasinée par un système, autre que l'énergie cinétique macroscopique et l'énergie potentielle due à l'action des corps extérieurs.

Energie transmise à l'au à chaque descente d'un cylindre : rendement * variation d'énergie potentielle de pesanteur

et pour n descentes : n*rendement* variation d'énergie potentielle de pesanteur = n *0,45 Mgh

Energie transmise au 0,5 litre l'eau par 1 descente d'un cylindre = 0,45 * 1 * 9,81 * 1,5 = 6,622 J

Il y a 140 descentes et 2 cylindres -> 140 * 2 * 6,62175 = 1854 J.

cette énergie est calculée pour 500 g d'eau, soit :

1854 / 500 = 3,71 J pour 1 g d'eau ( ou pour 1 cm3 d'eau)

Cette énergie élève la température de 0,89°C

Pour élever le température de 1 cm³ d'eau de 1°C, il faut donc 3,71/0,89 = 4,17 J.


 

  1. Ecrire la réaction de formation de l'eau liquide à 298 K en précisant l'état physique des réactifs.
  2. Lorsqu'elle se déroule à 298 K la réaction de combustion du dyhidrogene est elle différente de la réaction précédente?
  3. L'enthalpie molaire standard de cette reaction vaut -285,2 kJ.mol-1. Cette réaction est elle endothermique ou exothermique?
  4. Quelle quantité de dyhidrogène faut il bruler sous la pression standard pour élever de 2 852 J l'énergie interne d'un bloc de cuivre ? On supposera qu'il n'y a pas de deperdition de chaleur.
  5. Quel volume de ce gaz supposé parfait mesuré sous P=1 bar et à 298 K faut il utiliser?

Données R= 8.314 J.mol-1.K-1 ;1 bar = 10 5Pa


corrigé
à 298 K : H2(g) +1/2 O2(g) ---->H2O(l)

à 298 K la réaction de combustion du dyhidrogene est la réaction précédente.

le signe - correspond à de l'énergie cédée par le système, la réaction est exothermique.

2852 J = 2,852 kJ ce qui correspond à 0,01mole de dihydrogène.

PV=nRT ; V=nRT/P = 0,01 *8,31*298 / 105 =2,47 10-4 m3.


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