Calorimétrie

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La calorimétrie est la partie de la physique qui s'occupe de la mesure des quantités de chaleur. On utilise pour cela un calorimètre.

Sommaire
1 Principe de base
2 Eau et glace
3 Voir aussi
4 liens exernes

Principe de base

Soient une première masse d'eau m1 à température t1 et une deuxième de masse m2 à température t2. En les combinant, la température d'équilibre te sera la moyenne pondérée par les masses, c’est-à-dire

t_e= \frac{m_1 t_1 + m_2 t_2}{m_1 + m_2}

L'énergie totale Et est conservée et l'énergie respective des quantités d'eau, E1 et E2 est proportionnelle à la masse:

E_{1}= \frac{m_1}{m_1 + m_2}E_{t}
E_{2}= \frac{m_2}{m_1 + m_2}E_{t}

La capacité d'emmagasiner de l'énergie sous forme de chaleur, la capacité calorifique, est spécifique à chaque matériau. Si l'équilibre thermique est atteint en combinant plusieurs matériaux, sans changement d'état et sans interaction chimique, la température d'équilibre est la moyenne pondérée par les capacités calorifiques:

t= \frac{m_1C_1 t_1 + m_2C_2 t_2}{m_1C_1 + m_2C_2}

où C1 et C2 sont les capactités calorifiques de chacun des matériaux.

De façon générale, avec n matériaux:

t= \frac{\Sigma m_iC_i t_i}{\Sigma m_iC_i}

Il faut considérer que le calorimètre fait partie des n matériaux et en tenir compte par son équivalence en « masse d'eau ».

Eau et glace

Un glaçon mis dans un verre d'eau, de température différente de celle du glaçon, modifiera la température de la boisson et le résultat sera thermiquement en équilibre. Mais, puisqu'il va fondre, il faudra tenir compte de m1 Cg et t2 pour amener le glaçon de tg à 0, de m1Lf pour le faire fondre et de m1Ceau (t-0) pour l'amener à t; la somme de ces trois termes permet de déterminer l'énergie sous forme de chaleur qu'il a reçu de l'eau qui a été refroidie et qui a perdu la même énergie: m_2 Ceau (t -t2)

m1Cg(0 − t2) + m1Lf + m1Ceau(t − 0) = m2Ceau(t − t2)


et résoudre cette équation pour exprimer la température t d'équilibre.

Si le glaçon a une masse plus grande que la masse d'eau, c'est l'inverse qui peut se produire, c’est-à-dire que l'eau va geler totalement ou partiellement ou encore ce peut être le glaçon qui fondra partiellement; dans ces deux derniers cas, la température finale sera la température de la glace fondante.

Bien sûr, l'eau pure sert de référence et il a été trouvé expérimentalement qu'il faut 4.18 Joules pour augmenter la température de un gramme d'eau de 1°C. Cette grandeur sert de référence pour définir l'unité calorie. Cependant, avec l'echelle de température en usage actuellement pour les degrés Celsius et Kelvin (la température thermodynamique), la quantité d'énergie nécessaire pour augmenter la température d'un gramme d'eau de un degré, à pression athmosphérique normale, varie légèrement avec la température initiale de l'eau. La valeur de référence pour définir la calorie est avec une température de départ de 14,5°C.

Si on met alors une masse connue m d'un corps chauffé à la température t1 dans un calorimètre contenant une masse m2 d'eau à la température t2 (y compris la valeur en eau du calorimètre) et que l'on mesure t de l'équilibre: on peut déterminer la capacité thermique du corps en résolvant:

m1C1(t − t1) + m2C2(t − t2) = 0 C_1 = \frac{- m_2C_2 ( t-t2)}{m_1 (t- t_1)}

Voir aussi

liens exernes

http://www.microcalorimetry.com/index.php?id=13 la microcalorimétrie est en fort développement pour caractériser les échanges de chaleur lors de réaction en microbiologie.

See also: Calorimétrie, Calorie, Capacité calorifique, Celsius, Chaleur, Compression adiabatique, Entropie, Gaz parfait