Détermination de la capacité thermique d’un métal à l’aide de calorimétrie

Nom: Charles Parisien

Nom: Laurent Costela

Groupe: 502        Poste: 16        Date: 18 novembre 2019

Labo 02 : Détermination de la capacité thermique d’un métal à l’aide de calorimétrie

Mise en situation

Une compagnie désire entrer dans le marché des batteries de cuisine. Pour ce faire, elle entre en partenariat avec un centre de recherche dont vous êtes membre dans le désir de concevoir et perfectionner un poêlon performant qui va épater les consommateurs. Plusieurs facteurs entrent dans la considération pour la conception de l’outil de cuisine : le prix, la disponibilité des matériaux premières, la facilité de fabrication, la dureté, la qualité de cuisson, l’apparence et autres.

Votre centre de recherche a pour but de déterminer la composition optimale du poêlon afin d’avoir une bonne cuisson égale et rapide. Votre laboratoire dispose de trois matériaux : l'aluminium (Al), l'étain (Sn), le fer (Fe), le laiton (alliage de Cu et Zn), le plomb (Pb) et le zinc (Zn). Vous saviez que la performance de votre instrument de cuisine découle de sa diffusivité thermique (α) selon l’équation suivante :

[pic 1]

La diffusivité thermique est influencée par la conductibilité thermique d’un matériau (k), de sa masse volumique (ρ) et sa capacité thermique massique (c).^[1]

Aujourd’hui en laboratoire, tu as comme tâche d’évaluer la capacité thermique massique de ton métal (en) et de le comparer à sa valeur théorique.

But^[2]

Le but est de déterminer la capacité thermique massique du bloc de métal laiton afin de pouvoir concevoir le meilleur poêlon. Pour y parvenir, la variation de température de l’eau contenue à l’intérieur d’un calorimètre sera mesurée. Puisque le calorimètre est un système isolé, il sera alors possible d’en déduire la capacité thermique massique du cuivre.

Cadre théorique

La calorimétrie permet d’évaluer la chaleur dégagée par le bloc de métal en mesurant le changement de température de l’eau à l’intérieur du calorimètre. Selon l’énergie absorbée par le calorimètre, on pourra faire le lien avec l’énergie dégagée par le bloc de métal, ce qui nous permettra donc de calculer la capacité thermique massique du bloc de métal.

Premièrement, en laboratoire, il faut recueillir les données de température de l’eau avant (Ti ) et après (Tf ) l’introduction d’un bloc de métal chauffé. Cette variation de température (∆Teau) permettra de calculer la chaleur absorbée (Qcalorimètre) selon la quantité d’eau mesurée (meau) et la capacité thermique massique de l’eau (ceau = 4,19 ) à l’aide de l’équation (1) :

        Qcalorimètre = meau ceau ∆Teau (1)

Notez que la masse de l’eau est facilement calculée à partir du volume de l’eau et la densité de l’eau (ρ = 1 g/mL).

Après avoir calculé la chaleur absorbée par le calorimètre, il est possible de trouver la chaleur dégagée par le bloc de métal selon l’équation (2) :

        Qcalorimètre = - Qmétal          (2)

Enfin, la capacité thermique massique du bloc de métal (cmétal) peut être évaluée une fois que la masse du bloc de métal est mesurée (mmétal) et que la variation de température du bloc de métal est déterminée (∆Tmétal) selon l’équation (3) :

        Qmétal = mmétal cmétal ∆Tmétal          (3)

Cette équation peut être réarrangée de façon à ce que l’on puisse facilement calculer la capacité thermique massique du métal selon l’équation (4) :

        Cmétal = (4)

La valeur expérimentale peut ensuite être comparée à la valeur théorique :

**Liste incomplète ** N’oubliez pas d’ajouter tout le matériel utilisé ainsi que la quantité, la taille des matériaux et autres informations pertinentes. 

Matériel

• Calorimètre : support universel, anneau, verres en styromousse, couvercle
• Bécher de 600 mL
• Pinces
• Bouchon
• Flacon laveur
• Eau
• Bloc de métal : laiton
• Thermomètre digital
• Balance numérique

Schéma - Montage en laboratoire

Ici, insère une photo de ton montage en t’assurant qu’on soit en mesure de voir tout le matériel utilisé.

[pic 2]

Protocole

À compléter en consultant le guide de rédaction pour vous assurer qu’il y a suffisamment de détail à chacune de vos étapes.

1. Mesurer environ 200 ml d’eau du robinet dans un bécher de 600 ml.
2. Déposer le bloc de métal (ex : 75,34 g de cuivre) dans le bécher de 600 ml.
3. Déposer le bécher de 600 ml contenant de l’eau et le bloc de métal (ex : cuivre) sur la plaque chauffante et porter à ébullition.
4. Réaliser le montage du calorimètre (voir schéma ci-dessus).
5. Mesurer 100 ml dans le cylindre gradué de 100 ml
6. Mesurer la température de l’eau ambiante(T initiale de l’eau)
7. Mettre le couvercle pour garder la température de l’eau
8. Enlever le couvercle et mettre le bloc de métal dans l’eau ambiante quand l’eau est à ébullition
9.  Peser le bloc de métal avec la balance électronique lorsque la température s’est stabilisée.

Données et résultats

Vous devrez produire un tableau des données qui tient compte :

T initiale de l’eau (19,2), T finale de l’eau (34,6), T initiale du métal (100 C), T finale du métal(34,6 C), volume de l’eau (100 ml), masse du métal (270,4).

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