Détermination expérimentale de l'énergie mise en jeu lors d'un changement d'état

On a besoin :
  • d'un bécher de 250 mL ;
  • d'un thermomètre précis au dixième de °C ;
  • d'une baguette de verre ;
  • de polystyrène compensé pour calorifuger le bécher ;
  • d'une balance ;
  • d'une éprouvette graduée de 200 mL.

On introduit dans le bécher calorifugé 200 mL, soit 200 g, d'eau à la température θ₁ = 20 °C. On y ajoute de la glace pilée dont la température initiale est θ₂ = 0 °C et de masse m = 10 g. On agite le mélange obtenu en contrôlant la température jusqu'à fusion complète de la glace. On relève alors θ₃ = 15,3 °C qui est la température finale une fois l'équilibre thermique atteint.

On dispose des données suivantes :
   • Pour faire augmenter de 1 °C un gramme d'eau, il faut fournir une chaleur de 4,18 J.
   • On note Q_système la chaleur échangée par le système au cours de l'expérience (on note ainsi Q_eau, Q_bécher...)

L'ensemble {bécher+glaçon+eau} est calorifugé, ce qui signifie qu'il n'échange aucune chaleur avec le milieu extérieur :
Si l'on suppose négligeables les fuites thermiques dont est responsable le bécher (le bécher ne s’échauffe pas et ne se refroidit pas) on a Q_bécher = 0. On obtient donc :

La chaleur « reçue » par l'eau, Q_eau, est négative car l'eau est globalement refroidie (passage de θ₁ = 20 °C à θ₃ = 15,3 °C). Son énergie interne diminue. Elle correspond à la chaleur perdue par 200 g d'eau dont la température baisse de 20 – 15,5 = 4,7 °C :
Calculons la quantité de matière de la glace fondue :
.

Application numérique : .
L'énergie dégagée par la fusion de la glace est donc de , valeur proche de la valeur théorique de ; écart relatif de ).

Le but est de chauffer, par effet Joule, de l'eau liquide et de la porter à ébullition. La chaleur cédée par la résistance chauffante du thermoplongeur placé dans l'eau correspondra à la chaleur reçue par l'eau lors de son changement d'état.

• On introduit une masse d'eau dans un bécher et on note au feutre le niveau de liquide. On ajoute quelques grains de pierre ponce qui serviront à réguler l'ébullition.
• On place ensuite un thermomètre et un thermoplongeur dans l'eau et on calorifuge le bécher avec du polystyrène compensé. Ainsi on pourra supposer que toute la chaleur Q dissipée par la résistance ne sert qu'à chauffer l'eau.

• On ferme l'interrupteur. L'eau s'échauffe et commence à bouillir. Au bout de quelques minutes, l'eau ne se condense plus sur les parois du bécher. On enclenche alors un chronomètre et l'on note la tension U aux bornes du thermoplongeur et l'intensité le traversant .
• Le thermomètre indique une température stable de . Lorsque le niveau d'eau dans le bécher a sensiblement diminué, on ouvre l'interrupteur et on arrête le chronomètre.
• la durée mesurée est .
• On ôte le polystyrène autour du bécher et l'on attend qu'il refroidisse pour estimer la masse d'eau restante dans le bécher soit (d'eau mesurés à l'éprouvette graduée).

La masse d'eau qui s'est vaporisée est . La quantité de matière correspondante est .
La chaleur reçue par d'eau qui se vaporisent est Cette chaleur est égale à la chaleur cédée par effet Joule via le thermoplongeur pendant , soit égale à : .
d'où et donc :

La chaleur molaire de vaporisation de l'eau est donc d'environ . C'est là l'énergie de cohésion de l'eau liquide.