1ère S   

« Thème 3 / L’énergie et ses transferts »  

Livret 1 / Les TP 

Sommaire 

Page 3 :    TP/ Chaleur latente de fusion de la glace 

Page 5 :    TP/ Détermination d’une énergie de combustion 

Page 6 :    TP/ Etude de la chute verticale d’une balle 

Page 7 :    TP/ Etude de mouvements de balles dans le          champ de pesanteur 

Page 8 :    TP/ Rendement d’une bouilloire électrique 

Page 9 :    TP/ Les piles électrochimiques 

 

 

 

 

Thème 3 : L’énergie et ses transferts

Activité expérimentale Chaleur latente de fusion de la glace

On désire vérifier expérimentalement que la chaleur latente de fusion de la glace est Lfusion = 330 J.g-1

→ Que signifie cette valeur ?

Expérience 1

▪ Verser dans un gros bécher de l’eau chauffée par une bouilloire. Placer un thermomètre dans le bécher.

▪ Peser le vase intérieur du calorimètre ; noter la masse m du vase

▪ A l’aide d’une éprouvette graduée, verser 100 mL d’eau à température ambiante, dans le vase du calorimètre ; noter la masse m1 d’eau versée

▪ Replacer le vase dans le calorimètre et le fermer ; agiter l’eau puis relever, et noter 1 la température d’équilibre du calorimètre et de l’eau (système tempéré)

▪ Relever et noter la température 2 de l’eau chaude

▪ Verser de l’eau chaude dans le calorimètre ; agiter et noter f la température d’équilibre

▪ Peser le vase intérieur du calorimètre et en déduire la masse m2 d’eau chaude introduite

→ Reproduire, et compléter le tableau suivant, récapitulant les différentes mesures effectuées

Eau tempérée Eau chaude m1 1 m2 2 f

→ Donner la formule permettant de calculer ETh1, l’énergie thermique gagnée par l’eau tempérée au cours du mélange en fonction de m1, Ceau, 1 et f

→ Calculer ETh1

Donnée : Ceau = 4,18 J.g-1.°C-1

→ Donner la formule permettant de calculer ETh1’, l’énergie thermique gagnée par le vase du calorimètre au cours du mélange en fonction de m, Calu, 1 et f

→ Donner la formule permettant de calculer ETh2, l’énergie thermique perdue par l’eau chaude au cours du mélange en fonction de m2, Ceau, 2 et f

→ Calculer ETh2

Donnée : Ceau = 4,18 J.g-1.°C-1

→ En admettant que le transfert d’énergie a lieu dans une enceinte isolée et que les fuites thermiques vers le milieu extérieur sont négligeables, donner une relation entre ETh1, ETh1’ et ETh2

→ Calculer Calu, la valeur de la capacité calorifique massique de l’aluminium

Expérience 2

▪ Mettre plusieurs glaçons, dans un gros bécher contenant de l’eau froide.

▪ Peser le vase intérieur du calorimètre ; noter la masse m du vase

▪ A l’aide d’une éprouvette graduée, verser 100 mL d’eau à température ambiante, dans le vase du calorimètre ; noter la masse m1 d’eau versée

▪ Replacer le vase dans le calorimètre et le fermer ; agiter l’eau puis relever et noter 1 la température d’équilibre du calorimètre et de l’eau (système tempéré)

▪ Essuyer rapidement 2 glaçons et les mettre dans le calorimètre. La température des glaçons est 2 = 0°C

▪ Agiter et noter la température finale f stabilisée de l’eau lorsque les glaçons ont complètement fondu :

▪ Peser le vase intérieur du calorimètre et en déduire la masse m2 des glaçons introduits

→ Reproduire, et compléter le tableau suivant, récapitulant les différentes mesures effectuées

Eau tempérée Eau froide (fonte de la glace)

m1 1 m2 2 f

0°C

→ Donner la formule permettant de calculer ETh1, l’énergie thermique perdue par l’eau tempérée au cours du mélange en fonction de m1, Ceau, 1 et f

→ Calculer ETh1

Donnée : Ceau = 4,18 J.g-1.°C-1

→ Donner la formule permettant de calculer ETh1’, l’énergie thermique perdue par le vase du calorimètre au cours du mélange en fonction de m, Calu, 1 et f

→ Calculer ETh1’

Donnée : Calu = 1,1 J.g-1.°C-1

→ Donner la formule permettant de calculer ETh2, l’énergie thermique gagnée par les glaçons au cours de la fonte des glaçons en fonction de m2, et Lfusion

→ Donner la formule permettant de calculer ETh2’, l’énergie thermique gagnée par l’eau froide provenant de la fonte des glaçons en fonction de m2, Ceau, 2 et f

→ Calculer ETh2’

Donnée : Ceau = 4,18 J.g-1.°C-1

→ En admettant que le transfert d’énergie a lieu dans une enceinte isolée et que les fuites thermiques vers le milieu extérieur sont négligeables, donner une relation entre ETh1, ETh1’, ETh2 et Eth2’

→ Calculer Lfusion, la chaleur latente de fusion de la glace

→ Comparer avec la valeur théorique en calculant le pourcentage d’erreur

Thème 3 : L’énergie et ses transferts

Activité expérimentale Détermination d’une énergie de combustion

▪ Peser une cannette en aluminium et noter sa masse

▪ A l’aide d’une éprouvette graduée, verser 150 mL d’eau froide (de 5 à 10°C) dans la cannette

▪ Attendre l’équilibre thermique de la cannette et de l’eau et noter la température de l’ensemble

▪ Peser la bougie avant de l’allumer et noter sa masse

▪ Placer la bougie sous la cannette, l’allumer et entourer le dispositif d’une feuille d’aluminium afin que la chaleur de la flamme soit canalisée au mieux vers la boîte métallique

▪ Agiter doucement et régulièrement

▪ Lorsque la température atteint environ 30 °C, éteindre la bougie ; relever la température finale

▪ Peser la bougie

→ Recopier et compléter le tableau suivant récapitulant les valeurs expérimentales

Valeurs expérimentales

Masses

malu =

meau =

mbougie(i) = mbougie(f) =

Températures

i = f =

Données

Capacités calorifiques massiques

Ceau = 4,18 J.g-1.°C-1 Calu = 0,90 J.g-1.°C-1

→ Calculer l’énergie thermique reçue par l’eau et la cannette lors du chauffage

On suppose que la chaleur fournie par la combustion de la bougie a été intégralement transmise à la boîte métallique et à l’eau.

→ Quelle est l’énergie libérée par la réaction de combustion de la bougie ?

→ Exprimer en kJ.g-1 l’énergie thermique libérée par la combustion d’un gramme de bougie

Energie de combustion de quelques combustibles (en kJ.g-1)

Dihydrogène 142 Propane, butane 50 Essence 47 Gazole 45 Ethanol 30 Charbon 27 Bois 15

Thème 3 : L’énergie et ses transferts

Activité expérimentale Etude de la chute verticale d’une balle

Lors d’un TP, un professeur enregistre, à l’aide d’une webcam, la chute d’une balle.

Etude de la vidéo

Ouvrir le logiciel « AVIMECA » et traiter la vidéo à l’aide de l’annexe « chute20.AVI »

Traitement des données

Ouvrir le tableur « EXCEL » et traiter les données à l’aide de l’annexe

Calculer la vitesse V aux différents instants ti à l’aide de la relation :

2

yyv 1i1i

i ( = 0,05 s)

Calculer l’énergie cinétique de la balle aux différents instants ti à l’aide de la relation :

2mV2

1Ec 2

ii V*035.0*5,0Ec

Calculer l’énergie potentielle de la balle aux différents instants ti à l’aide de la relation : mgzEp ii y*81.9*035.0Ep

Calculer l’énergie mécanique de la balle aux différents instants ti à l’aide de la relation :

iii EcEpEm

Représenter à l’aide du tableur, la trajectoire de la balle qui correspond à la courbe y = f(x)

Représenter, à l’aide du tableur, l’évolution de la vitesse en fonction du temps, v = f(t). A l’aide du tableur, déterminer l’équation de la droite

Représenter, à l’aide du tableur, sur un même graphe, les évolutions des énergies cinétique, potentielle et mécanique en fonction du temps, Ec = f(t), Ep = f(t) et Em = f(t)

Imprimer la feuille de travail après sa mise en page

Questions

Comment peut-on qualifier le mouvement de la balle ?

La vitesse de la balle peut s’écrire sous la forme

v = a + b.t ; quelles sont les valeurs de a et de b ; donner leurs unités.

Pourquoi ne peut-on pas utiliser le tableur pour déterminer la valeur de la vitesse de la balle à t = 0 s et t = 0,5 s ?

Proposer une méthode qui permet de trouver tout de même ces valeurs, et les déterminer.

Commenter le graphe donnant les variations des énergies en fonction du temps ;

Quand dit-on qu’un objet est en chute libre

Peut-on dire que la balle est en chute libre ? Justifier

Thème 3 : L’énergie et ses transferts

Activité expérimentale

Etude de mouvements de balles dans le champ de pesanteur

Lors d’un TP, un professeur enregistre, à l’aide d’une webcam, le lancer d’une balle de tennis puis de polystyrène.

Mouvement d’une balle de tennis

1) Etude de la vidéo

Ouvrir le logiciel « AVIMECA » et traiter la vidéo à l’aide de l’annexe « chute parabolique1.AVI »

La masse de la balle est de 56 g La hauteur de la porte de la vidéo est de 2 m

2) traitement des données

Ouvrir le tableur « EXCEL » et traiter les données à l’aide de l’annexe

Calculer la vitesse V aux différents instants ti

à l’aide de la relation :

2

dv i

i ( = 0,04 s)

avec 21i1i2

1i1ii yyxxd

Calculer l’énergie cinétique de la balle aux différents instants ti à l’aide de la relation :

2mV2

1Ec 2

ii V*056.0*5,0Ec

Calculer l’énergie potentielle de la balle aux différents instants ti à l’aide de la relation :

mgzEp ii y*81.9*056.0Ep

Calculer l’énergie mécanique de la balle aux différents instants ti à l’aide de la relation :

iii EcEpEm

Représenter à l’aide du tableur, la trajectoire de la balle qui correspond à la courbe y = f(x)

Représenter, à l’aide du tableur, l’évolution de la vitesse en fonction du temps, v = f(t).

Représenter, à l’aide du tableur, sur un même graphe, les évolutions des énergies cinétique, potentielle et mécanique en fonction du temps, Ec = f(t), Ep = f(t) et Em = f(t)

Imprimer la feuille de travail après sa mise en page

Mouvement d’une balle de polystyrène

Refaire le même travail que précédemment à partir de la vidéo montrant le lancer d’une balle de polystyrène « Parabole_polystyrène.avi »

La masse de la balle est de 1,33 g La hauteur de la règle de la vidéo est de 1,02 m

2

dv i

i 21i1i2

1i1ii yyxxd

2ii V*00133.0*5,0Ec

ii y*81.9*00133.0Ep

iii EcEpEm

Conclusions Conclure en expliquant comment on peut expliquer les variations des énergies dans les deux cas

Thème 3 : L’énergie et ses transferts

Activité expérimentale Rendement d’une bouilloire électrique

→ Noter la puissance de la bouilloire électrique indiquée sur la plaque signalétique de l’appareil P = .................... → Placer une masse m d’eau (ou un volume) mesurée avec précision dans la bouilloire. Attendre l’équilibre thermique (stabilisation) et noter i la température initiale de l’eau. → Mettre en marche et simultanément déclencher un chronomètre. Attendre l’arrêt automatique de l’appareil qui se produit pour une eau proche de sa température d’ébullition. Relever alors f la température finale, ainsi que la durée t du chauffage → Reproduire l’expérience avec plusieurs masses d’eau différentes en prenant soins de bien rincer l’appareil à l’eau froide et d’attendre après chaque remplissage l’équilibre thermique. → E1 : énergie électrique reçue .................................................................................. → E2 : énergie thermique reçue par l’eau ..................................................................................

Rendement de la bouilloire .................................................................................. .................................................................................. .................................................................................. → Dans quels cas l’efficacité de l’appareil est-elle la plus grande ?

m (g)

i (°C)

f (°C)

t (s)

E2 (kJ)

E1 (kJ)

(%)

Thème 3 : L’énergie et ses transferts

Activité expérimentale Les piles électrochimiques

Comment déterminer la polarité de la pile ?

Avec un ampèremètre : ............................................................................... ............................................................................... → Compléter les figures suivantes en représentant la pile

Avec un voltmètre : ............................................................................... ............................................................................... ............................................................................... ............................................................................... → Compléter les figures suivantes en indiquant la polarité des piles

La pile de Vota

Dans une lettre qu’il adresse au président de la Société Royale de Physique à Londres, le 20 mars 1800, l’italien Alessandro Volta (1745 – 1827), décrit minutieusement les expériences qui lui ont permis de réaliser la pile qui porte son nom : « Oui, l'appareil dont je vous parle, et qui vous éton-nera sans doute, n'est qu'un assemblage de bons conducteurs de différentes espèces, arrangés d'une certaine manière. Vingt, quarante, soixante pièces de cuivre, ou mieux d'argent, appliquées chacune à une pièce d'étain, ou, ce qui est beaucoup mieux, de zinc et un nombre égal de couches d'eau, ou de quelque autre humeur qui soit meilleure conductrice que l'eau, simple, comme l'eau salée, la lessive…. Ou des morceaux de carton imbibés de ces humeurs ; de telles couches interposées à chaque couple ou combinaison des deux métaux différents ; une telle suite alternative, et toujours dans le même ordre, de ces trois espèces de conducteurs, voilà tout ce que constitue mon nouvel instrument… il est capable de donner la commotion toutes les fois qu'on le touche convena-blement, quelque fréquents que soient ces attou-chements. » → Décrire comment Volta a réalisé sa première pile et justifier ainsi le nom de "pile" donné à cet objet. ............................................................................... ............................................................................... ............................................................................... ............................................................................... ............................................................................... → Que signifie le mot "humeur" dans ce texte ? ...............................................................................

Une pile aux citrons → A l’aide du matériel disponible réaliser une « pile au citrons » permettant d’allumer une DEL → Schématiser le montage ; indiquer la polarité de la pile → Mesurer la f.e.m de la pile : .............................

La pile Daniell

En 1836, le physicien et chimiste anglais Daniell (1790-1845) améliore la pile Volta en utilisant des plaques de cuivre et de zinc, une solution de sulfate de cuivre (II), une solution de sulfate de zinc.

Pour comprendre le fonctionnement d’une pile Daniell (ou pile cuivre-zinc), on réalise le dispositif suivant :

Un bécher contient une plaque de cuivre plongée dans une solution de sulfate de cuivre, et un second, une plaque de zinc plongée dans une solution de sulfate de zinc. Les deux béchers (appelés « demi-piles ») sont re-liées par un pont salin rempli d’une solution de chlo-rure de potassium (K+, Cl- ).

→ Réaliser la pile cuivre-zinc → Mesurer la valeur de la f.e.m de la pile ............................................................................... → Compléter la figure précédente, en indiquant le voltmètre (avec ses bornes V et COM) et les polari-tés de la pile

Fonctionnement de la pile

→ A l’aide de l’animation :

http://www.ostralo.net/3_animations/swf/pile.swf

Compléter la figure en indiquant : - les polarités de la pile - le sens du courant - le sens de déplacement des électrons - le sens de déplacement des ions → Quels sont les deux couples oxydant/réducteur qui interviennent lors du fonctionnement de la pile ............................................................................... → Donner les réactions aux électrodes ; indiquer comment varient l’état des électrodes et les concen-trations des ions des électrolytes

Pole négatif : ................................................................................ .................................................................................. .................................................................................. .................................................................................. .................................................................................. .................................................................................. .................................................................................. Pole positif : ................................................................................ ................................................................................. .................................................................................. .................................................................................. .................................................................................. .................................................................................. ..................................................................................

→ Donner l’équation de la réaction lorsque la pile fonctionne ................................................................................

D’autres piles électrochimiques → Réaliser 3 autres piles à l’aide du matériel et des solutions disponibles. → Légender les piles, puis donner : - la polarité de la pile - la f.e.m de la pile - les réactions aux électrodes - la réaction d’oxydoréduction globale

La pile à hydrogène

d’après www.cite-sciences.fr

Aujourd’hui, plus de 80 % de l’énergie produite et consommée dans le monde est issue de sources fossiles non renouvelables : charbon, pétrole ou gaz naturel. Or ces ressources sont limitées. Leur utilisa-tion est à l’origine de pollutions atmosphériques im-portantes qui participent à la multiplication des évé-nements climatiques majeurs ou à la fonte des gla-ces. Il faut donc trouver de nouvelles sources d’énergie plus propre. Le dihydrogène est une des solutions pour répondre à ce double défi, énergéti-que et environnemental puisque son utilisation n’émet que de l’eau. Le dihydrogène n’est pas une source, c’est un vec-teur d’énergie. En effet, il faut un apport d’énergie pour le préparer. Le dihydrogène n’existant pas sous forme libre dans la nature, il faut le fabriquer ; Cela se fait principale-ment par reformage* à partir du gaz naturel ou par électrolyse** à partir de l’eau. Actuellement, la majo-rité de l’hydrogène produit l’est à partir de méthane. Les ingénieurs s’emploient à développer des techno-logies vertes pour produire le dihydrogène, à amélio-rer son stockage et son réseau de distribution et enfin à diminuer le coût de la pile à hydrogène. Dans la pile à combustible le dihydrogène réagit avec le dioxygène pour former de l’eau et créer un courant électrique. Totalement silencieuse, elle pro-duit un courant de 110 ou 230 V, pour une puissance de 500 à 2500 W. L’hydrogène répond à deux défis de notre société : développer de nouvelles énergies et réduire leur impact sur l’environnement. Le dihydrogène est une énergie prometteuse pour rendre les véhicules pro-pres, grâce aux récentes innovations pour le pro-duire, le stocker et le distribuer *reformage : procédé industriel permettant, par chauffage, de transformer le méthane en dihydro-gène et dioxyde de carbone. **électrolyse : décomposition chimique produite par un courant électrique.

→ Pourquoi le dihydrogène n’est-il pas considéré comme une source d’énergie ? ............................................................................... ............................................................................... ............................................................................... ............................................................................... ............................................................................... → D’où provient le dihydrogène utilisé dans les piles à combustible ? ............................................................................... ............................................................................... ............................................................................... ............................................................................... → Quels sont les progrès à réaliser pour une plus large utilisation de la pile à combustible ? ............................................................................... ............................................................................... ............................................................................... ............................................................................... ............................................................................... ............................................................................... ............................................................................... ............................................................................... → Répondre aux questions suivantes, à l’aide de l’animation http://www.labotp.org/TP1S/1S-TPC11-PileCombustible.swf - Quels sont les deux réactifs mis en jeu ? ............................................................................... - Quelle est l’espèce produite par la réaction ? ............................................................................... - Écrire la demi-équation de la réaction se produisant à l’anode en précisant s’il s’agit d’une oxydation ou d’une réduction. ............................................................................... ............................................................................... - Même question pour la cathode. ............................................................................... ............................................................................... - Écrire l’équation globale de fonctionnement de la pile : ............................................................................... - Compléter les phrases : Le dioxygène est un ………................… car il ………………… des électrons et le dihydrogène est un ………………. car il …….……... des électrons L’anode est le siège d’une ……………………… La cathode est le siège d’une …………………….

Conclusion Une pile permet de convertir de l’énergie chimique en énergie électrique ; l’énergie chimique mise en jeu provient d’une transformation chimique Une pile est constituée de deux compartiments (les demi-piles).chaque demi-pile comporte une électrode en métal, plongeant dans une substance conductrice qui contient des ions (un électrolyte). Les deux compartiments sont reliés par une jonc-tion assurant le passage des ions La jonction entre demi-piles peut être réalisée par l’intermédiaire d’un pont salin, constitué d’un tube rempli d’une solution gélifiée contenant des ions susceptibles de se déplacer, ou par une paroi po-reuse permettant le passage des ions de l’électrolyte.

La surface des électrodes est le siège de la trans-formation chimique mettant en jeu un transfert d’électrons :

Au pole négatif ( = ...........................) des électrons sont produits au cours d’une réac-tion .....................................

les électrons circulent ensuite dans le circuit extérieur puis arrivent à l’électrode positive

Au pole positif ( = ...........................) les électrons sont consommés au cours d’une réaction ....................................