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Laboratoire de Calorimétrie et d'Enthalpie

À propos de cette simulation

Le laboratoire de calorimétrie et d'enthalpie est une simulation de chimie thermique 3D interactive où les étudiants réalisent des expériences de calorimétrie en tasse de café. Un calorimètre isolé en coupe contient une masse d'eau choisie à 20,0 degrés Celsius, équipée d'une tige d'agitation motorisée et d'une sonde de thermomètre numérique. Suspendu au-dessus se trouve un échantillon de métal cylindrique chauffé (aluminium, fer, cuivre ou or) dont la masse et la température initiale sont contrôlées par des curseurs. Lorsque l'échantillon est immergé dans le bain d'eau, des paquets d'énergie thermique lumineuse rayonnent du métal vers l'eau tandis qu'un graphique 3D en temps réel de la température en fonction du temps trace les courbes de refroidissement et de réchauffement convergeant vers la température d'équilibre exacte Tf.

Ce que les élèves peuvent explorer

  • Maintenez la masse de l'échantillon à 85 g et la température initiale de l'échantillon à 125 °C, puis changez le matériau de l'échantillon entre l'aluminium, le fer, le cuivre et l'or pour comparer l'élévation de la température de l'eau qu'ils provoquent.
  • Observez pourquoi l'aluminium (c = 0,897 J/g·°C) produit plus de six fois l'élévation de température de l'eau d'une masse égale d'or (c = 0,129 J/g·°C).
  • Faites glisser le cylindre métallique chauffé vers le haut hors de l'eau du calorimètre pour le réchauffer, puis remettez-le dans la tasse pour démarrer un nouveau cycle de refroidissement.
  • Doublez la masse d'eau de 100 g à 200 g et vérifiez comment le réservoir thermique plus grand réduit le changement de température ΔT.
  • Utilisez les lectures en direct de la masse d'eau, de ΔT et de la chaleur transférée q pour vérifier l'équation de calorimétrie q = m · c · ΔT.

Objectifs d'apprentissage

  1. 1Appliquez la conservation de l'énergie (-q_échantillon = +q_eau) pour calculer le transfert de chaleur et la température d'équilibre finale dans un calorimètre.
  2. 2Utilisez l'équation de la chaleur massique q = m · c · ΔT pour déterminer la capacité thermique massique inconnue d'un échantillon de métal.
  3. 3Expliquez pourquoi une substance ayant une capacité thermique massique plus élevée subit un changement de température plus faible pour une quantité donnée de chaleur transférée.
  4. 4Interprétez un double graphique de refroidissement et de réchauffement de la température en fonction du temps alors que deux corps s'approchent de l'équilibre thermique.

Questions fréquentes des enseignants

Qu'est-ce que la capacité thermique massique ?

La capacité thermique massique (c) est la quantité d'énergie thermique en joules nécessaire pour élever la température de 1 gramme d'une substance de 1 degré Celsius (ou 1 Kelvin). L'eau liquide possède une capacité thermique massique exceptionnellement élevée de 4,184 J/(g·°C) en raison de liaisons hydrogène étendues.

Comment calcule-t-on la température d'équilibre finale en calorimétrie ?

En supposant qu'aucune chaleur n'est perdue vers l'environnement, la chaleur perdue par le métal chaud est égale à la chaleur gagnée par l'eau plus fraîche : m_métal · c_métal · (T_initiale_métal - Tf) = m_eau · c_eau · (Tf - T_initiale_eau). La résolution de Tf donne la moyenne pondérée des températures initiales par la capacité thermique de chaque objet (m · c).

Pourquoi l'aluminium chauffe-t-il l'eau du calorimètre beaucoup plus que l'or de la même masse ?

Les atomes d'aluminium sont beaucoup plus légers (27 g/mol) que les atomes d'or (197 g/mol), de sorte que 80 grammes d'aluminium contiennent plus de sept fois plus d'atomes stockant de l'énergie thermique vibrationnelle que 80 grammes d'or. Par conséquent, l'aluminium a une chaleur massique beaucoup plus élevée par gramme (0,897 vs 0,129 J/g·°C).

Pourquoi un calorimètre possède-t-il une double paroi isolée et un agitateur ?

La paroi isolée empêche l'échange de chaleur avec la pièce extérieure afin que toute l'énergie thermique reste à l'intérieur du système, tandis que l'agitateur motorisé fait circuler l'eau de sorte que le thermomètre mesure une température de bain uniforme.

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