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Caractérisation des propriétés thermiques de solides
Bonjour,
j'ai un TP de thermo' à préparer, et j'aurais besoin de vous pour quelques questions.
L'objectif du TP est de déterminer empiriquement les propriétés thermiques de différents solide en utilisant l'évaporation de l'azote liquide.
Nous avons une première situation :
Azote liquide sans objet : L'azote liquide est un corps pur dont la température
d'ébullition à pression atmosphérique est Te = 77.355 K. On considère une masse m d'azote liquide versée dans un récipient et posée sur une balance.
1. Sachant que la température de la salle de Travaux Pratiques T0 est nettement supérieure à Te, comment évolue l'azote au cours du temps?
L'azote va se vaporiser.
2. Comment peut-on caractériser l'évolution de la masse d'azote en fonction du temps ?
Grâce à la balance : par exemple toutes les 10 secondes on note la masse de l'azote liquide restante.
3. Quelle allure peut-on raisonnablement attendre ?
On attend une allure décroissante.
Deuxième situation :
Solide plongé dans l'azote : A un instant t0, on plonge un solide de masse m0 dans l'azote liquide
1. Décrire qualitativement l'évolution dans le temps de m à partir de t0 sur la base d'un bilan énergétique approprié.
Là je ne sais pas trop. La masse d'azote va bien sur diminuer comme avant.
Pour le bilan énergétique je pensais peut être utiliser l'enthalpie libre, mais sans trop savoir comment.
Sinon, en considérant que le solide a une température initial T>Te, il va libérer de l'énergie sous forme de chaleur ce qui va accélérer la vaporisation de l'azote (?).
2. Quelle sera l'allure de la masse d'azote liquide en fonction du temps ?
Encore une fois l'allure sera décroissante.
3. Faire une liste des grandeurs qui pourraient influencer cette évolution.
Ici aussi je ne sais pas trop. J'ai pensé à la capacité calorifique à pression constante du solide et à sa température T initiale. Le reste je ne vois pas.
Merci par avance.
Bonjour
Je trouve toujours délicat d'apporter de l'aide sur un T.P. sans connaître exactement le matériel à disposition.
Pour la première partie : rien à dire de plus sauf peut être une précision : puisque la pression extérieure reste fixe, la température de l'azote reste fixe tant que du liquide existe.
Pour la seconde partie : ce que tu as écrit est correct. Il est possible de quantifier la masse supplémentaire d'azote vaporisée de part la présence du barreau métallique mN2: il suffit d'écrire que l'augmentation d'enthalpie de l'azote due à la vaporisation est égale à la valeur absolue de la diminution d'enthalpie du solide.
Hvap : enthalpie massique de vaporisation de l'azote.
L'écart de température entre l'extérieur et l'azote liquide est sans doute trop important pour qu'il soit possible de considérer la capacité thermique massique du solide comme indépendant de la température.
La vitesse de vaporisation de l'azote est fortement influencée par la nature du récipient contenant l'azote. S'il s'agit, par exemple d'un vase Dewar, les pertes thermiques se font essentiellement au niveau de la surface libre du liquide et la vaporisation va être assez lente. Si le récipient est peu isolé au niveau du fond et au niveau des parois latérales, la vaporisation va être plus rapide...
Bonjour,
merci pour ta réponse vanoise.
sans connaître exactement le matériel à disposition.
Pour le TP nous aurons une balance, et six objets de masses calibrés de différents matériaux : Aluminium, Laiton, Acier, PVC, Plexiglass et cuivre. Il n'y a pas plus de précision.
Ensuite il faudra faire les expériences en fonction de nos hypothèses.
On a bien une question :
La loi de Dulong-Petit (
) prédit pour les solides cristallins que la capacité calorifique molaire est égale à 3R où R est la constante des gaz parfaits.Vos observations expérimentales sont-elles en accord avec cette loi ? Discuter.
Donc il va falloir calculer cette capacité calorifique pour les différents solides.
En utilisant ta formule, je pense qu'il faudra considérer cette capacité comme indépendante de la température.
Merci encore par avance.
OK : j'y vois plus clair ! Pour chacun des solides, tu vas pouvoir mesurer l'excès de masse vaporisée mN2 par rapport à la situation correspondant à l'absence de solide et en déduire la valeur de cs (considérée comme indépendante de T). Tu pourra alors comparer cette valeur de cs à celle déduite de la loi de Dulong et Petit.
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