Transfert d'énergie - Exercices corriges

|transfert d'énergie chimie lycée |
|[pic] |
|cours 1 |chaleur et |
| |travail |
|L'énergie peut être transferée sous forme de: |
|chaleur, Q ou énergie thermique échangée: c'est de l'énergie en mouvement|
|dont l'écoulement se fait d'un milieu chaud à un milieu de plus basse |
|température. |
|travail, W, qui peut être mécanique (force x déplacement) |
|ou électrique (tension x charge ). |
|Chaleur et travail sont des quantités d'énergie échangées lors d'une |
|transformation. |
|[pic] |
|mode de transfert de chaleur |
|rayonnement : Une barre de fer chauffée émet d'abord un rayonnement IR, |
|puis un rayonnement rouge, puis un rayonnement contenant de plus en plus |
|de lumière blanche. |
|Un corps chaufé émet un rayonnement sous forme ondes électromagnétiques. |
|conduction : les métaux sont de bons conducteurs de la chaleur. Chauffons|
|l'extrémité d'une barre de fer, la chaleur se propage dans toute la |
|barre. |
|convection : la masse volumique d'un fluide dépend de la tempèrature. Si |
|la température n'est pas uniforme, les courants de convection transfert |
|de la chaleur des zones les plus chaudes vers les zones les plus froides.|
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|effets de la chaleur |
|augmentation de la température sans changement d'état physique |
|Q = m c ?? |
|Q: joule ; m kg ; ?? degré |
|c: capacité thermique massique J kg-1 K-1 |
|mc: capacité thermique J K-1 |
|pour élever de 1° la température de 1 kg de cuivre il faut fournir 385 J |
|pour élever de 1° la température de 1 kg d'eau il faut fournir 4180 J |
|[pic] |
|changement d'état physique à température constante |
|Q = mL |
|L : chaleur latente de changement d'état physique à température constante|
|J kg-1 |
|à 0°, la fusion de 1 kg d'eau nécessite 335 kJ |
|à 100° la condensation de 1 kg de vapeur d'eau libère 2 262 kJ |
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|[pic]retour |
|[pic] |
|exercice 1 |four électrique |
|Cent tonnes de ferrailles sont chauffées dans un four électrique afin |
|d'obtenir du fer liquide à 1535°C. La température initiale est 20°C. La |
|durée de l'opération dure 5 heures et le rendement du four est de 70%. |
|Cfer=450 Jkg-1 K-1. Lfusion fer= 270 kJ kg-1. |
|Quelle est l'énergie nécessaire. En déduire la puissance du four. |
|[pic] |
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|corrigé |
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|Energie (J) nécessaire à : |
|porter le solide de 20 à 1535°C: mc?? = 105*450*1515= 6,8 1010 J |
|fusion du fer à 1535°C : mL = 105*2,7 105= 2,7 1010 J |
|total : 9,5 1010 J |
|[pic] |
|en tenant compte du rendement |
|9,5 1010 / 0,7 = 1,36 1011 J |
|puissance (watt)=énergie(J) / durée(seconde) |
|P = 1 36 1011 / (5*3600) = 7,5 106 W |
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|[pic]retour |
|[pic] |
|exercice 2 |fusion de la |
| |glace |
|100g de glace prise à -10°C sont chauffés dans un récipient. Le |
|dispositif de chauffage à un rendement de 80% et sa puissance est P=2kW. |
|On coupe le chauffage lorsque toute la glace est fondue, l'eau de fusion |
|étant à 0°C. Quelle est la durée du chauffage ? |
|C glace=2100 JK-1 ; Lfusion glace =330 kJkg-1. |
|[pic] |
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|corrigé |
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|Energie (J) nécessaire à : |
|porter le solide de -10 à 0°C: mc?? = 0,1*2100*10= 2,1 103 J |
|fusion de la glace à 0°C : mL = 0,1*3,3 105= 3,3 104 J |
|total : 3,51 104 J |
|[pic] |
|en tenant compte du rendement |
|3,51 104 / 0,8 = 4,39 104 J |
|puissance (watt)=énergie(J) / durée(seconde) |
|temps= 4, 39 104 / 2000 = 22 s |
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|[pic]retour |
|[pic] |
|exercice 3 |chaleur de |
| |réacion NaOH + |
| |HCl |
|Dans un calorimètre (200JK-1), on mélange 0,1 L de solution de soude à 2 |
|molL-1 et 0,1L de solution d'ac. chlorhydrique à 2 molL-1. L'augmentation|
|de température est de 43 °C lors de la réaction. |
|C solution=4180 Jkg-1K-1. NaOH=40 ; HCl=36,5 gmol-1. |
|Calculer la masse des réactifs, l'énergie libérée lors de la réaction, |
|l'énergie libérée par mole de réactif. |
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|[pic] |
|corrigé |
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|[pic] |
|masse |
|Qté de matière mole = volume(L) * concentration (mol L-1) |
|0,1*2=0,2 mol soit 40*0,2=8 g de soude et 0,2*36,5 = 7,3 g acide |
|total 15,3 g=0,0153 kg |
|[pic] |
|chaleur libérée |
|mc??= (0,0153*4180 + 200)*43 = 11350 J pour 0,2 mol de chaque réactif |
|ou bien 11350*5= 57 kJ mol-1. réaction exothermique |
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|[pic] |
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|[pic]retour |
|[pic] |
|exercice 4 |déterminer une |
| |capacité |
| |thermique |
| |massique |
|Dans un calorimètre (200JK-1), contenant 200g d'eau à 18°C, on plonge |
|100g de cuivre pris dans une étuve à 80°C. C eau=4180 Jkg-1K-1. La |
|tempèrature d'équilibre est 20,2 °C. Quelle est la capacité thermique |
|massique du cuivre ? |
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