TP 1 Thermodynamique : Puissance, rendement, capacité thermiques

TP 1 Thermodynamique :

Puissance, rendement, capacité thermiques

        L’objectif de ces expériences est de déterminer le rendement d’un système à l’aide du premier principe de la thermodynamique qui introduit l’existence de l’enthalpie et de mettre en place un dispositif nous permettant de mesurer la capacité thermique de n’importe quel matériau.

1. Détermination du rendement d’un réchaud « Camping gaz »

1. Réalisation du protocole «  Camping gaz »

Ce protocole propose de chauffer dans une casserole munie de son couvercle de l’eau liquide au dessus d’un réchaud jusqu’à atteindre 50°C. Ceci nous permettre de récolter de nombreuses données, notamment la masse de butane consommée et la masse d’eau liquéfiée :

Le chauffage a duré 126 secondes avant que l’eau n’atteigne les 50°C.

Par différence de la masse de l’ensemble (casserole+couvercle+eau) avant et après l’expérience on déduit une masse meau vaporisée=3,41g.

Par différence également on déduit la masse de butane consommée Δmbutane=52,54g.

1. Exploitation des données

Cette expérience est régie par les lois de la thermodynamique et notamment par le Premier Principe. En effet, l’expérience se déroule en milieu isobare car la pression du système reste constante et égale à la pression atmosphérique de la salle de TP. C’est une transformation irréversible car du butane a été transformée mais a chaleur dégagée n’a pas été récupérée par le système. Or pour une transformation isobare irréversible :

Qp=   ΔU- ΔW =  ΔU+ Pext(Vb-Va)= Ub+PVb – (Ua+ PVa)= Hb- Ha=  ΔH    ( fonction enthalpie H= U+PV)

Qp= n*Cp* ΔT

Il est possible alors de déterminer l’égalité suivante sur Qp  :

Qp= ( mcouvercle*Cpcouvercle+ ncasserole*Cpaluminium+ neautotale*Cpeau) ΔT+ neau vaporisée* ΔvapH0273

       =( 113,19* 0,46 + *24,4 +*75,3 ) (50-22)+*40650[pic 2][pic 3][pic 4]

 Qp    = 72328 J représente l’énergie thermique transférée au système au cours du chauffage.

Connaissant le temps de chauffage, il est possible d’en déduire la puissance utile :

P===574 W[pic 5][pic 6]

Toutefois, nous pouvons remarquer que ce calcul a été réalisé à partir de nombreuses imprécisions. En effet, nous avons considéré que tous les éléments du système étaient à la même température à n’importe quel moment ce qui n’est pas le cas ( la casserole n’est pas en permanence  à la même température de l’eau dans laquelle trempe le thermomètre ; l’eau elle-même n’est pas à la même température en n’importe quel point du système).

1. Calcul du rendement

Ici, nous considérerons la température à 298 K. Ainsi, la chaleur fournie par la combustion se calcule de cette manière :

chaleur fournie Qfournie= *  ΔcH0298 = -2 875 000*= -125905J.[pic 7][pic 8]

 ( le signe négatif provient de la convention du banquier et signifie que la combustion libère de l’énergie).

Le rendement peut alors être déduit :  R==57 %[pic 9]

Nous pensons qu’il est possible d’améliorer ce rendement en plaçant le système dans des conditions adiabatiques :

• parois latérales de la casserole isolante( protégées par de la laine par exemple, mais faire attention d’éviter le contact direct du matériau isolant avec la flamme)
• utiliser des matériaux avec de faibles capacités thermiques : ainsi une plus grande quantité d’énergie pourra être utilisée pour uniquement chauffer l’eau ( l’acier inoxydable a pour cela la meilleure capacité thermique)
• éviter tout flux d’air indésirable en isolant le système de l’extérieur mais avec tout de même assez d’air pour permettre la combustion

Le Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS) correspond à la quantité de chaleur maximale que l’on peut récupérer de la combustion avec formation d’eau à l’état liquide, rapportée à l’unité de masse du combustible.

PCS===49 569 J/g =  49 569 kJ/kg[pic 10][pic 11]

Le pouvoir calorifique Inférieur (PCI) correspond à la quantité de chaleur maximale que l’on peut obtenir par combustion du combustible avec formation d’eau  à l’état gazeux, rapporté à l’unité de masse du combustible.

Qinf=  * [ ΔcH0298 + 5*( Cpeau* ΔT+ ΔvapH0273) ] [pic 12]

       = [ -2 875 000+ 4( 75,3(100-25)+40650) ] [pic 13]

    = -115 768 J.

PCI= ==45 578 J/g ou 45 578 kJ/kg .[pic 14][pic 15]

1. Détermination de la capacité thermique d’un matériau

        L’objectif de cette partie sera de mesurer la capacité thermique d’un calorimètre en utilisant de l’eau et ses variations de température.

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