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PhysiqueD�finition sous licence CC-BY-SA 3.0
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Calorim�trie
calorim�trie pression atmosph�rique capacit� calorifique thermodynamique Tweeter
La calorim�trie est la partie de la thermodynamique qui a pour objet la mesure des quantit�s de chaleur. On utilise pour cela un calorim�tre. Celui-ci peut fonctionner soit � pression constante et dans ce cas les chaleurs mises en jeu au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des...) du calorim�tre sont �gales � une variation d'enthalpie (L'enthalpie (du pr�fixe en- et du grec thalpein: chauffer) est une fonction d'�tat de la thermodynamique, dont la variation permet d'exprimer la quantit� de...) ΔH = QP, soit � volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) constant dans une bombe calorim�trique et dans ce cas les chaleurs mises en jeu sont �gales � une variation de l'�nergie (Dans le sens commun l'�nergie d�signe tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumi�re, de produire un mouvement.) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant...) ΔU = QV. La chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et temp�rature ont souvent un sens �quivalent : Quelle chaleur !) n'�tant pas une fonction d'�tat, la quantit� (La quantit� est un terme g�n�rique de la m�trologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre mani�re de d�nommer la...) de chaleur mise en jeu au cours d'une transformation d�pend de la fa�on de proc�der ( transformation r�versible ou irr�versible). C'est pourquoi il est n�cessaire que la quantit� de chaleur soit �gale � la variation d'une fonction d'�tat, ce qui est le cas � pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) constante ou � volume constant. Principe de base Le calorim�tre est un syst�me thermodynamique (On peut d�finir la thermodynamique de deux fa�ons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands syst�mes en...) isol� qui n'�change aucune �nergie avec le milieu ext�rieur ( ni travail, ni chaleur ). Sa paroi est ind�formable et adiabatique (En thermodynamique, une transformation est dite adiabatique (du grec adiabatos, � qui ne peut �tre travers� �) si elle est effectu�e sans qu'aucun �change de...). Donc W = 0 et Q = 0. N�anmoins il y a des transferts de chaleur entre les diff�rentes parties du calorim�tre: constituants �tudi�s, accessoires, paroi.... Comme il n'y a aucun �change de chaleur avec l'ext�rieur, cela implique que la somme des chaleurs �chang�es Qi au sein du calorim�tre est nulle: ∑ Qi = 0. Exemple de compr�hension: d�termination de la temp�rature d'�quilibre d'un m�lange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les substances...) de constituants introduits � diff�rentes temp�ratures Consid�rons un syst�me calorim�trique constitu� de i corps d�finis par leur masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...) mi , leur capacit� calorifique (La capacit� thermique (ou capacit� calorifique) d'un corps est une grandeur permettant de quantifier la possibilit� qu'a un corps d'absorber ou restituer de l'�nergie par �change thermique au cours d'une transformation pendant...) Ci et leur temp�rature initiale avant m�lange ti. La chaleur mise en jeu par chaque corps pour atteindre l'�quilibre de temp�rature te, s'il n'y a pas de changement d'�tat ni de r�action chimique, est donn�e (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.) par la relation: Appliquons le relation de calorim�trie (La calorim�trie est la partie de la thermodynamique qui a pour objet la mesure des quantit�s de chaleur. On utilise pour cela un calorim�tre. Celui-ci peut fonctionner soit � pression constante et dans ce cas...) ∑ Qi = 0. On obtient: et donc�: Remarque: dans cet exemple on n'a pas tenu compte de la capacit� calorifique du calorim�tre. D�termination d'une chaleur de changement d'�tat: m�lange eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) � pression constante Dans le cas o� se produit un changement d'�tat, on peut d�terminer par calorim�trie la chaleur de changement d'�tat L. On introduit un morceau de glace de masse m1, de capacit� calorifique C1 � la temp�rature t1 < 0 ( en �C) dans un calorim�tre contenant une masse m2 d'eau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) de capacit� C2 et � la temp�rature t2 > 0. La temp�rature finale d'�quilibre est te > 0. Quelles sont les chaleurs mises en jeu dans le calorim�tre�? Chaleur pour �lever la temp�rature de la glace de t1 � 0�C�: Q1 = m1C1( 0 - t1) . Chaleur de fusion (En physique et en m�tallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'�tat solide vers l'�tat liquide. Pour un corps pur, c’est-�-dire pour une substance constitu�e de mol�cules toutes identiques, la...) de la glace � 0�C: Q2 = m1Lf. Chaleur pour �lever la temp�rature de l'eau provenant de la fusion de la glace de 0 � te�C: Q3 = m1C2( te - 0 ). Chaleur perdue par l'eau � t2�C: Q4 = m2C2( te - t2 ). Appliquons alors la relation de calorim�trie:∑ Qi = 0. Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 0 . On en d�duit l'�quation (En math�matiques, une �quation est une �galit� qui lie diff�rentes quantit�s, g�n�ralement pour poser le probl�me de leur identit�. R�soudre l'�quation...): La mesure de te, permet de d�terminer la chaleur de fusion de la glace L(fus). Approximations: On a n�glig� ici la capacit� calorifique du calorim�tre et on a consid�r� que les capacit�s calorifiques de l'eau et de la glace �taient constantes alors qu'en r�alit� elles d�pendent de T. Pr�cisons en outre que les capacit�s calorifiques sont d�termin�es ici � pression constante: CP. D�termination d'une chaleur de combustion (La combustion est une r�action chimique exothermique (c’est-�-dire accompagn�e d’une production d'�nergie sous forme de chaleur ).) � volume constant La d�termination des chaleurs de combustion est tr�s importante dans l'industrie des combustibles car elle permet la mesure de leur pouvoir calorifique. On proc�de dans une bombe calorim�trique. On introduit m1g de combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de...) dans la bombe remplie avec suffisamment d'oxyg�ne (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) sous pression pour que la combustion soit compl�te. La bombe est immerg�e dans un calorim�tre contenant une grande quantit� d'eau Mg de capacit� calorifique C(eau); la capacit� calorifique de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) calorim�trique ( bombe + calorim�tre) est C(cal). Soit ti la temp�rature initiale. On d�clenche la r�action par un syst�me de mise � feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.). La temp�rature du calorim�tre augmente et se stabilise � te. Appelons Q(comb) la chaleur d�gag�e par la r�action. Cette chaleur est absorb�e par l'ensemble calorim�trique et les produits de la r�action pr�sents dans la bombe. On n�glige l'influence de ces produits devant la masse �lev�e du calorim�tre et de l'eau qu'il contient. La relation de calorim�trie permet d'�crire: ∑ Qi = 0. Les capacit�s calorifiques sont d�termin�es ici � volume constant: CV. La r�solution de cette �quation permet de d�terminer Q(comb) pour m1g de produit. Cette chaleur est mise en jeu � volume constant Qv et correspond � une variation de l'�nergie interne du syst�me r�actionnel. Elle permet ensuite de calculer la chaleur � pression constante Qp correspondant � une variation d'enthalpie, gr�ce � la relation approch�e: Qp ≈ Qv + Δn(gaz)RT Δn(gaz) est la variation du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de moles de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume...) au cours de la r�action de combustion. R est la constante du gaz parfait (Le gaz parfait est un mod�le thermodynamique d�crivant le comportement de tous les gaz r�els � basse pression p.). T est la temp�rature exprim�e en Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unit� SI de temp�rature thermodynamique. Par convention, les noms d'unit� sont des noms communs et s'�crivent en minuscule...). En g�n�ral un combustible est utilis� � la pression atmosph�rique (La pression atmosph�rique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosph�re.) constante. Il est donc utile de conna�tre la chaleur de combustion Qp qu'il est possible de d�terminer gr�ce � la bombe calorim�trique.	Source: Wikip�dia publi�e sous licence CC-BY-SA 3.0.
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