Programme d’éducation internationale








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SCIENCE ET TECHNOLOGIE DE L’ENVIRONNEMENT 4-71

LABORATOIRE 1 : IDENTIFICATION D’UNE SUBSTANCE PAR CALORIMÉTRIE

Travail présenté

À

Monsieur Denis Bouchard

École secondaire Armand-Corbeil

Programme d’éducation internationale

Vendredi 20 mars 2015


INTRODUCTION
Pendant cette expérimentation que j’ai faite seul, j’ai dû identifier avec l’aide de la calorimétrie et la chaleur massique des substances solides. Par la suite, il y a eu la composition de ce rapport de laboratoire. Dans ce rapport, il y aura le but de cette expérimentation qui est ‘identification des substances solides, une question par rapport avec le laboratoire que je devrai essayer répondre en hypothèse et identifier mes erreurs que j’ai commis durant l’expérimentation. De plus, il y aura des recherches que j’ai faites et qui seront dans la section cadre théorique pour me donner plus de connaisse sur le sujet ce qui m’aidera à confirmer ou infirmer mon hypothèse de départ et faire de conclusion sur les résultats qui ont été prélevé pendant le laboratoire. Également, le matériel qui a été utilisé et les manipulations que j’ai effectuées durant l’expérimentation sera présente dans ce rapport pour démontrer comment j’ai fait la tâche qui a été demandée.
Ensuite, il y aura des tableaux dans la section tableaux de résultats qui démontra les résultats que j’ai prélevés pendant le laboratoire. De plus, ces tableaux m’aideront à faire l’analyse de mes résultats et porteront un support visuel à celle-ci.
Par la suite, dans la partie de l’analyse, il y aura des constatations sur mes résultats qui seront faite l’aide des tableaux précédents. Aussi, il y aura la signification de ces résultats avec mes nouvelles connaissances acquise durant mes recherches. De plus, il y aura la confirmation ou l’infirmation de mon hypothèse.
Également, dans la conclusion, il y aura toutes le résumer des étapes que j’ai commis pour me rendre au but et l’évaluation de mon travail en laboratoire et l’exactitude de mes résultats selon les erreurs que j’ai effectuées durant le laboratoire. De plus, je proposerai des solutions pour régler les erreurs et améliorer l’exactitude de mes résultats.
Finalement, je devrai répondre à des questions qui m’ont été donné dans la section questions bilan et je devrai mettre les sources de mes recherches dans la bibliographie.

DÉLIMITATION DU PROBLÈME

But :

Identifier la nature de trois solides inconnus par leur chaleur massique avec l’utilisation de la technique de la calorimétrie
Formulation du problème :

Comment la chaleur massique et la technique de la calorimétrie pourrait aider l’identification des trois substances solides qui a été donnée?

Identification des sources d’erreurs :

Durant l’expérimentation avec les substances solides, il a eu des erreurs qui ont été commises de ma part ou à cause du matériel qui ont modifié mes résultats. Tout d’abord, à cause que la plaque chauffante chauffait toujours l’eau dans le bécher, la température ne cessait pas d’augmenter donc la température que j’avais prise au départ continuait à grimper ce qui a eu des répercussions sur les données de la première substance, car le temps que l’eau distillée soit mise dans le calorimètre et que le bloc soit mis dans celui-ci la température a eu le temps d’augmenter. Par contre, les deux autres blocs ne seront pas affectés, car la température a été reprise au deuxième et troisième et je me dépêchais de mettre l’eau dans le calorimètre. De plus, lors du transfert des blocs, une partie de l’énergie des blocs a été dispersée dans l’air et l’étanchéité du calorimètre n’est pas étanche à 100 pour 100 ce qui signifie qu’il y a de l’énergie perdue, donc une diminution de l’exactitude de mes résultats. Aussi, je crois que je n’ai pas attendu assez longtemps lorsque les blocs effectuaient le transfert thermique avec l’eau dans le calorimètre. Finalement, l’incertitude de mes outils a aussi affecté mes données que j’ai prélevées.
Hypothèse :

Étant donné que la chaleur massique est une propriété caractéristique, les substances seront faciles à identifier avec la calorimétrie. En fait, le but du procédé de la calorimétrie est de savoir combien de degrés, l’eau dans le calorimètre aura absorbé de la chaleur avec l’aide de la substance qui aurait été chauffée dans de l’eau sur une plaque chauffante. Avec cette donnée et quelques calculs avec la formule de l’énergie thermique, il serait possible de trouver la chaleur massique des substances donc de les identifier avec un tableau des chaleurs massiques.

Cadre théorique :

Calorimétrie

La calorimétrie est une façon de découvrir en faisant une expérience, la quantité de chaleur qui est en cause dans lors d’un transfert de l’énergie thermique. Pour effectuer cette expérimentation, il est nécessaire d’avoir un calorimètre qui est un instrument isolé qui permet de mesurer les échanges de chaleur. Également, la calorimétrie a comme principe la conservation de l’énergie. Ce principe explique qu’aucune énergie ne peut être détruite ou créé, mais juste transférée d’un corps à l’autre ou transforméw d’une forme à l’autre.http://www.ac-creteil.fr/lycees/94/darsonvalstmaur/documents/bts_html/tpbts/cal_melange/armelec1.jpg

Inventeurs de la calorimétrie

Grâce à des mémoires de 1780, l’invention de la calorimétrie a été donnée à Lavoisier et Laplace.
Pierre-Simon Laplace est né en 1749 et est mort en 1827. Cet homme est devenu un mathématicien, astronome et physicien. Ce jeune français né en Normandie a été à l’université de Caen et par la suite, il a commencé à travailler à l’École militaire. Grâce à son talent, à 24 ans, Pierre-Simon Laplace est entré dans l’Académie des sciences. C’est dans le coin de 1782 qu’il a commencé à travailler sur la calorimétrie avec Lavoisier. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/91/pierre-simon-laplace_(1749-1827).jpg
Antoine Laurent de Lavoisier est devenu fermier générale, philosophe, économiste et chimiste. Il est né en 1743 et mort guillotiné en 1794. Ce français a étudié à l’université de Paris et est devenu membre, à 24 ans, de l’Académie des sciences. De plus, en 1782, Antoine Lavoisier a commencé à travailler sur la calorimétrie avec Pierre-Simon de Laplace.¸http://img2.wikia.nocookie.net/__cb20140610201605/assassinscreed/fr/images/9/96/antoine_lavoisier.jpg

Énergie thermique

Ce type d’énergie est une énergie qui est causée par le mouvement des atomes dans une substance et la masse de celle-ci. L’énergie cinétique d’un atome est affectée par la température donc plus il fait froid moins les atomes bougent et plus il fait chaud plus les atomes bougent. De plus, l’énergie thermique est calculée en joules, en wattheures ou en électrons-volts. Lors d’un transfert d’énergie thermique entre deux corps, la chaleur est transférée du milieu le plus chaud au plus froid. Ces deux corps seront donc la même quantité d’énergie lorsque le milieu le plus chaud et le plus froid seront de même température. Pour calculer l’énergie thermique que possède un corps il faut avoir sa masse en gramme, sa chaleur massique en joule sur gramme fois un degré Celsius et le delta de la température soit la température finale moins la température initiale qui est mesuré en degré Celsius. http://upload.wikimedia.org/math/4/e/c/4ec00682ba796c24eb3a56b7d07881f3.pnghttp://www.ambafrance-cn.org/img/arton18472.jpg?1404463938

Chaleur massique

La chaleur massique d’une substance, aussi appelée capacité thermique, c’est la quantité d’énergie en joule pour faire augmenter une substance de un gramme d’un degré Celsius. Cette capacité caractéristique à chaque substance détermine la quantité de chaleur qui peut être absorbée et dégagée.
Tableau de chaleur massique

Ces données dans ce tableau permettent de connaitre la chaleur massique de chaque substance.


Solide
(à 25 ºC)


Chaleur massique
(J/(g · ºC))


Magnésium

0,98

Aluminium

0,90

Quartz

0,790

Verre

0,782

Fer

0,472

Zinc

0,39

Cuivre

0,397

Argent

0,234

Mercure

0,14

Or

0,134

Plomb

0,130

Sélénium

0,321

Rubidium

0,363


Liste du matériel :


  • Thermomètre numérique (incertitude de ± 0.05 OC)

  • 3 blocs de métal inconnu (A, B, C)

  • Pince

  • Balance numérique (incertitude de ± 0,005g)

  • Plaque chauffante

  • Calorimètre

  • Becher de 250 ml

  • Eau distillé

  • Eau du robinet

  • Tableau des chaleurs massiques de plusieurs substances pures solides

  • Cylindre gradué de 100 ml (incertitude de ± 0.5 ml)


Protocole :

  1. Peser avec la balance numérique le bloc A.

  2. Noter le résultat dans le tableau des résultats.

  3. Refaire l’étape 1 et 2 avec le bloc B et C.

  4. Brancher la plaque chauffante.

  5. Allumer la plaque chauffante et la mettre au maximum en tournant le bouton.

  6. Mettre dans le bécher de 250 ml de l’eau du robinet et déposer sur la plaque chauffante.

  7. Déposer avec la pince les trois blocs dans le bécher.

  8. Attendre que l’eau aille des bulles.

  9. Prendre la température de l’eau avec le thermomètre numérique.

  10. Écrire les résultats dans le tableau des résultats.

  11. Mesurer avec le cylindre gradué de 100 ml d’eau distillé

  12. Noter dans la section tableaux des résultats.

  13. Verser le 100 ml d’eau distillé dans le calorimètre.

  14. Prendre la température de l’eau distillée avec le thermomètre numérique.

  15. Noter le résultat dans le tableau des résultats.

  16. Prendre le bloc A avec les pinces et le mettre dans le calorimètre.

  17. Mesurer la température de l’eau distillée avec le thermomètre et prendre la température la plus élevée soit celle avant que la température redescende.

  18. Prendre en note le résultat et le mettre dans le tableau de résultats.

  19. Calculer avec les données prises et la formule de l’énergie thermique pour trouver la chaleur massique du bloc A.

  20. Refaire l’étape 9 à 19 avec le bloc B et C.

  21. Nettoyer et ranger le matériel.


TABLEAU DES RÉSULTATS
Tableau 1. Résultat observé durant la calorimétrie du bloc A soit la masse et la température de l’eau dans la calorimétrie, la masse, la chaleur massique et la température dans l’eau bouillie du bloc et la température du bloc plus l’eau dans le calorimètre.


Bloc A

Masse de l’eau dans le calorimètre (g)

100

Température de l’eau dans le calorimètre au départ (oC)

22,4

Masse du bloc (g)

69,01

Température du bloc dans l’eau bouillante (oC)

92,1

Température obtenue à la fin

(bloc+ eau) (oC)

26,2

Valeur de la chaleur massique du bloc (J/gxoC)

0,35


Tableau 2. Résultat observé durant la calorimétrie du bloc B soit la masse et la température de l’eau dans la calorimétrie, la masse, la chaleur massique et la température dans l’eau bouillie du bloc et la température du bloc plus l’eau dans le calorimètre.


Bloc B

Masse de l’eau dans le calorimètre (g)

100

Température de l’eau dans le calorimètre au départ (oC)

22,5

Masse du bloc (g)

17,51

Température du bloc dans l’eau bouillante (oC)

98,2

Température obtenue à la fin

(bloc+ eau) (oC)

24,9

Valeur de la chaleur massique du bloc (J/gxoC)

0,783

Tableau 3. Résultat observé durant la calorimétrie du bloc C soit la masse et la température de l’eau dans la calorimétrie, la masse, la chaleur massique et la température dans l’eau bouillie du bloc et la température du bloc plus l’eau dans le calorimètre.


Bloc C

Masse de l’eau dans le calorimètre (g)

100

Température de l’eau dans le calorimètre au départ (oC)

23,2

Masse du bloc (g)

56,10

Température du bloc dans l’eau bouillante (oC)

98,2

Température obtenue à la fin

(bloc+ eau) (oC)

26,4

Valeur de la chaleur massique du bloc (J/gxoC)

0,333


ANALYSE DES RÉSULTATS
Tout d’abord, j’ai remarqué que le bloc A mesurant 69,01 gramme, à une température de 92,1 oC, fait augmenter l’eau dans le calorimètre mesurant 100 grammes et ayant une température de 22,4 oC, à 26,2 oC. De plus, j’ai remarqué qu’il a une chaleur massique de 0,35 J/gxoC. Avec ces données, j’ai pu conclure que le bloc A a une capacité thermique qui ressemble le plus au rubidium qui, lui, en a une de 0,362 J/gxoC.
Par la suite, j’ai constaté que la substance solide B a une masse de 17,51 gramme avec une température 98,2 oC, permet à l’eau distillée dans le calorimètre mesurant 100 gramme de passer de 22,5 oC à 24,9 oC. Également, la chaleur massique du bloc B est de 0,783 J/gxoC. Avec ces résultats, j’ai pu déduire que la capacité thermique de la substance B est approximativement semblable à celle du verre qui est de 0,782 J/gxoC.
Ensuite, j’ai aperçu que le bloc C d’une masse de 56,1 gramme et d’une température 98,2 oC, fait élever la température du 100 grammes d’eau dans le calorimètre de 23,2 oC à une température de 26,4 oC. Également, j’ai pu déterminer que la substance possède une capacité thermique de 0,333 J/gxoC. Cette chaleur massique ressemble le plus à celle du sélénium qui possède une capacité thermique de 0,321 J/gxoC.
Finalement, grâce aux données que j’ai récoltées, je peux dire que mon hypothèse qui est que la chaleur massique étant une propriété caractéristique peut être trouvée avec l’aide de la calorimétrie est vraie. En effet, selon les recherches que j’ai effectuées, la calorimétrie permet de savoir la quantité de chaleur qui est en cause dans un transfert thermique. En faisant la calorimétrie, on peut être capable de trouver toutes les données nécessaires pour pouvoir utiliser la formule de l’énergie thermique soit la masse de la substance, sa température initiale et finale. Par la suite grâce à la calorimétrie, on peut trouver l’énergie thermique que l’eau distillée a absorbé qui a une capacité thermique de 4,19 J/gxoC. Pour trouver la chaleur thermique de la substance inconnue, il faut utiliser la formule Qeau=-Qbloc et isoler le c du bloc.
CONCLUSION
En conclusion, pour pouvoir arriver à mon but, il a fallu que je fasse l’expérimentation de la calorimétrie et prélever des données qui m’ont permis de trouver la chaleur massique des blocs de substances avec la formule de l’énergie thermique. De plus, il y a fallu que toutes les données qui ont été collectées soient dans des tableaux pour que je puisse avoir un support visuel pour m’aider dans mon analyse. Également, j’ai dû faire des recherches sur le sujet pour pouvoir m’aider dans mon analyse pour savoir la signification de mes résultats. Donc, je suis arrivé à mon but grâce à mes recherches, aux données que j’ai prélevées et aux déductions que je fais dans mon analyse.
À mon avis, l’exactitude de mes résultats est de 40% parce que mes sources d’erreurs que j’ai identifiées plus tôt ont affecté considérablement mes résultats, par exemple une perte d’énergie qui a été dispersée dans l’air. De plus, dans mon analyse, je doute des résultats sur l’indentification de substances parce que logiquement, il aurait été évident que le tableau de la chaleur massique qui m’a été fourni aurait pu identifier les trois solides. Au contraire, j’ai dû chercher des chaleurs massiques qui étaient semblables à ceux des blocs.
Le travail que j’ai effectué a été bien accompli, j’ai suivi les consignes en général avec précision. Par contre, à cause de la limite de temps, je suis allé peut être un peu trop vite quand je prenais la température des eaux, donc il y pu avoir une augmentation de la température si j’avais attendu plus et si j’avais été plus consciencieux.

Selon moi, les choses à améliorer sont la qualité du matériel pour être plus précis, donc des résultats encore qui seront plus précis. De plus, le calorimètre manquait d’étanchéité et il en aurait fallu un plus étanche, car il perdait de la chaleur. Également, il aurait été plus intéressant qu’on puisse faire l’expérience avec d’autres substances que des métaux soient du verre ou du quartz.

QUESTION BILAN



  1. Le cylindre d’aluminium sera chauffé en le laissant dans l’eau bouillante pendant quelques minutes, puis transféré dans l’eau de refroidissement pour l’échange de chaleur. Il y a deux quantités d’eau dans ce laboratoire : l’eau bouillante et l’eau utilisée pour refroidir l’aluminium.




  1. Ces deux quantités doivent-elles être mesurées? Doivent-elles répondre à certains critères ? Sont- elles préférablement grandes ou petites?


L’eau dans le bécher n’est pas obligée d’être mesurée et de répondre à certains critères, car elle sert juste à chauffer les blocs de substance solide. De plus, cette eau est préférable à grande quantité pour qu’elle enveloppe complètement les blocs. Ensuite, l’eau du calorimètre est obligée d’être mesurée, il est nécessaire de connaître sa masse donc si on ne la mesure pas nous ne saurons pas qu’elle est sa masse. Aussi, elle est doit être de l’eau distillée, car sa chaleur massique est comme celle de l’eau et c’en est nécessaire pour trouver la chaleur massique des blocs. Également, il est préférable que l’eau dans le calorimètre soit de petite quantité, il est plus facile de voir l’écart de température avec un peu d’eau qu’avec beaucoup d’eau.


  1. Doit-on utiliser de l’eau distillée dans les deux cas?

Non parce que dans l’eau bouillante va servir seulement pour chauffer le cylindre d’aluminium et cela ne nécessite pas d’eau distillée. Par contre, l’eau pour la refroidir l’aluminium doit être de l’eau distillée parce sa chaleur massique est différente de l’eau du robinet parce qu’elle a moins de minéraux et elle a une chaleur massique qui ressemble à celle de l’eau pur.


  1. Dans quels récipients doivent-elles être placées?


L’eau qui sera bouillie devra être dans un bécher sur une plaque chauffante et l’eau qui refroidira l’aluminium sera dans le calorimètre.


  1. Quels sont les calculs à effectuer et les mesures à relever dans ce laboratoire pour résoudre le problème?


Il faut utiliser la formule de l’énergie thermique pour trouver l’absorption de cette énergie que possède l’eau dans le calorimètre et utiliser cette donnée pour trouver la chaleur massique de la substance en l’isolant. De plus dans ce laboratoire, il faudra que je relève la masse de l’eau calorimètre et du bloc, la température initiale et finale du bloc et de l’eau dans le calorimètre.


  1. Comment saurez-vous que l’échange de chaleur est terminé?

L’échange de chaleur sera terminé quand la température commencera à stagner.

BIBLIOGRAPHIE
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