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8 • Conservation de l’énergie – Chaleur – Travail – Énergie interne – Enthalpie
Exercice 8.4 Effets de la chaleur
De la vapeur d’eau (54 g), maintenue à 373 K, est introduite dans un mélange
d’eau (900 g) et de glace (90 g), en équilibre à 0 ˚C.
Que se passe-t-il ? Lorsque l’équilibre final est atteint, y a-t-il encore de la
glace ? Quelle est alors la température de l’eau ?
Solution
Fusion de la glace ( 90 g / 18 g.mol –1 ϭ 5 mol ) : Q ϭ 5 mol ϫ 5,98 kJ.mol –1 ϭ 2,99.10 4 J
Condensation de la vapeur (3 mol), à 373 K : Q’ ϭ 3 mol ϫ 44,1 kJ.mol –1 ϭ 1,32.10 5 J
Sans même prendre en compte la chaleur cédée par l’eau qui résulte de la condensation de la
vapeur en se refroidissant, on voit que la glace fondra totalement. On peut donc faire le bilan
suivant, étant la température finale (exprimée en °C) :
➤ 5 mol de glace fondent et donnent 5 mol d’eau liquide à 0 °C (Q ϭ 2,99.10 4 J)
➤ 50 mol ϩ 5 mol ϭ 55 mol d’eau s’échauffent de 0 °C à °C
(Q’ ϭ 55 mol ϫ 75,3 J.K –1 .mol –1 ϫ ( – 0 °C)
➤ 3 mol de vapeur se condensent et donnent 3 mol d’eau à 100 °C, qui se refroidissent à °C
(Q’’ ϭ 1,32.10 5 J ϩ [3 mol ϫ 75,3 J.K –1 .mol –1 ϫ (100 °C – )]
De l’équation Q ϩ Q’ ϭ Q’’ on tire ϭ 28,7 °C Ϸ 29 °C.
Exercice 8.5 Calorimétrie
Quel type de calorimètre peut-on utiliser pour mesurer la capacité calorifique
d’un métal ?
Solution
La vapeur d’eau introduit dans l’eau, non seulement de la matière, mais aussi de la
chaleur. Cette chaleur reçue par le mélange eau-glace peut faire fondre la glace
(totalement ou partiellement [Ex. 8.3]) puis, si la glace fond totalement, élever la
température de l’eau.
Comme dans l’exercice précédent, il faut savoir s’il restera de la glace, en comparant la chaleur nécessaire pour la faire fondre entièrement avec la chaleur apportée
par la vapeur.
La chaleur apportée par un bloc de métal, lors de son immersion dans l’eau, dépend
de sa capacité calorifique et de la différence de température entre son état initial et
son état final, c’est-à-dire de la température d’équilibre finale du métal avec l’eau. Si
cette température est connue, elle permet de déterminer la valeur de la capacité calorifique du métal immergé.
Ce procédé de mesure de la capacité calorifique d’un objet, par chute dans un calorimètre de température différente, est appelé « méthode de chute ».
8 • Conservation de l’énergie – Chaleur – Travail – Énergie interne – Enthalpie
Exercice 8.4 Effets de la chaleur
De la vapeur d’eau (54 g), maintenue à 373 K, est introduite dans un mélange
d’eau (900 g) et de glace (90 g), en équilibre à 0 ˚C.
Que se passe-t-il ? Lorsque l’équilibre final est atteint, y a-t-il encore de la
glace ? Quelle est alors la température de l’eau ?
Solution
Fusion de la glace ( 90 g / 18 g.mol –1 ϭ 5 mol ) : Q ϭ 5 mol ϫ 5,98 kJ.mol –1 ϭ 2,99.10 4 J
Condensation de la vapeur (3 mol), à 373 K : Q’ ϭ 3 mol ϫ 44,1 kJ.mol –1 ϭ 1,32.10 5 J
Sans même prendre en compte la chaleur cédée par l’eau qui résulte de la condensation de la
vapeur en se refroidissant, on voit que la glace fondra totalement. On peut donc faire le bilan
suivant, étant la température finale (exprimée en °C) :
➤ 5 mol de glace fondent et donnent 5 mol d’eau liquide à 0 °C (Q ϭ 2,99.10 4 J)
➤ 50 mol ϩ 5 mol ϭ 55 mol d’eau s’échauffent de 0 °C à °C
(Q’ ϭ 55 mol ϫ 75,3 J.K –1 .mol –1 ϫ ( – 0 °C)
➤ 3 mol de vapeur se condensent et donnent 3 mol d’eau à 100 °C, qui se refroidissent à °C
(Q’’ ϭ 1,32.10 5 J ϩ [3 mol ϫ 75,3 J.K –1 .mol –1 ϫ (100 °C – )]
De l’équation Q ϩ Q’ ϭ Q’’ on tire ϭ 28,7 °C Ϸ 29 °C.
Exercice 8.5 Calorimétrie
Quel type de calorimètre peut-on utiliser pour mesurer la capacité calorifique
d’un métal ?
Solution
La vapeur d’eau introduit dans l’eau, non seulement de la matière, mais aussi de la
chaleur. Cette chaleur reçue par le mélange eau-glace peut faire fondre la glace
(totalement ou partiellement [Ex. 8.3]) puis, si la glace fond totalement, élever la
température de l’eau.
Comme dans l’exercice précédent, il faut savoir s’il restera de la glace, en comparant la chaleur nécessaire pour la faire fondre entièrement avec la chaleur apportée
par la vapeur.
La chaleur apportée par un bloc de métal, lors de son immersion dans l’eau, dépend
de sa capacité calorifique et de la différence de température entre son état initial et
son état final, c’est-à-dire de la température d’équilibre finale du métal avec l’eau. Si
cette température est connue, elle permet de déterminer la valeur de la capacité calorifique du métal immergé.
Ce procédé de mesure de la capacité calorifique d’un objet, par chute dans un calorimètre de température différente, est appelé « méthode de chute ».