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TP d’électrocinétique 2de thermodynamique

n°11 : Prise en main du matérielEtude d’uncircuit RLC en régime libre et en régime

sinusoidal orcéCalorimétrie

 A. Objectifs :

 – Se familiariser avec le matériel calorimétrique – Mesurer les grandeurs usuelles en calorimétrie

B. DéfinitionsSi on met un corps chaud au contact d’un corps froid, il se produit un transfert thermique ; cetransfert s’arrête quand l’équilibre est atteint. Dans ce cas, la quantité de chaleur prise par lecorps froid au corps chaud est égale celle cédée par le corps chaud au corps froid. Si onop!re "e#t $ %te, la variation d’enthalpie du s&st!me constitué par les deu# corps est nulle'en l’absence de pertes thermiques(.)uand la température d’un corps passe de * * + d*, pression constante, sa variationd’enthalpie est

d $ m.c.d* $ -)c étant sa capacité thermique massique pression constante et -) étant le transfert thermique'ou la quantité de chaleur( échangée avec l’e#térieur. Si c $ %te,

$ mc.'*/ 0 *1(

C. Le calorimètre

2l e#iste plusieurs t&pes de calorim!tre ' glace, résistance 3(. %elui utilisé dans le *" serale calorim!tre adiabatique de 4erthelot.

 

5n calorim!tre est un dispositif destiné mesurer les échanges de chaleur 'calor $ chaleur 6m!tre $ mesure(. 2l isole thermiquement le s&st!me de l’e#térieur, et est en général constituéd’un simple isolant, par e#emple du pol&st&r!ne 'bouteille thermos(, ou mieu#, de vide. Si lecalorim!tre est parfait, on peut supposer qu’il n’& a aucun transfert thermique avec

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l’e#térieur 7 les transformations & sont 8D2848*2)59S. :n & place un thermom!tre pour suivre l’évolution de la température du s&st!me, et on suppose que la pression est touourségale la pression atmosphérique e#térieure.

  9n tant que solide, le calorim!tre est capable de capter et de stoca capacité calorifiquethermique du calorim!treest donc %calorimetre  $ =ce, avec ce $ ?.1@ A.g0 1 .B 0 1 , la capacité calorifithermique massique del’eau.:n prendra comme échelle de température l’échelle %elsius, car les calculs opérés sur lestempératures sont uniquement des différences. :n utilisera donc directement les températureslues sur les thermom!tres.

D. Détermination de la valeur en eau du calorimètre

1! Princi"e

5n conducteur métallique de résistance C est immergé dans un liquide de masse m et decapacité thermique massique cliquide. >ensemble est placé dans un calorim!tre de capacitéthermique %calorim!tre. >orsque le conducteur, sous la tension continue 5, est parcouru par le

courant dintensité 2 pendant lintervalle de temps t, il c!de le transfert thermique 7) $ 5.2.t $ C 2/ t $ t 

 R

U ∆

/

2! #ani"ulation

• Mettre meau $ @EE g deau dans le vase calorim!trique. Mettre en place le thermom!tre, bien agiter pendant 1F s, puis lire la température sur le thermom!tre.

• Mesurer la résistance du conducteur ohmique chauffant avec un ohmm!tre.• 2mmerger le conducteur ohmique chauffant.• 4rancher directement le conducteur chauffant sur les bornes E et 1/ G continue de

lalimentation, on commandera lalimentation avec linterrupteur général situé derri!relappareil. Déclencher le chronom!tre et mettre en route lalimentation pendant1E minutes, en agitant de temps en temps leau. *outes les / minutes, bien agiter leliquide pendant 1F s pour être sHr de lhomogénéIté de la température et mesurer denouveau la température. 8rrêter lalimentation au bout de 1E minutes.

t 'min( E / ? J @ 1Et 's(K 'L%(* 'B(• %omment évolue la température en fonction du temps )ue cela signifie0t0il

$! E%"loitation

• *racer la courbe qui représente l’évolution de * en fonction de t.>a capacité thermique de l’eau est ceau $ ?,1@ A.B 01  .g01  .

• Déterminer la capacité thermique du calorim!tre.• 9n déduire = la valeur en eau du calorim!tre.

E. Détermination de la capacité thermiue massiue d !un solide

:n dispose plusieurs t&pes de solides 7 du duralumin, du laiton, du teflon et du ple#iglas. "our mesurer la capacité calorifique de ces solides, on adopte une méthode semblable celle

utilisée dans la partie précédente.%haque groupe travaillera avec un solide. Mon groupe travaille avec 3333333..33 .

/

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1! #ani"ulation

• Mettre meau $ ?EE g deau dans le vase calorim!trique.• Mesurer la masse de N ou ? morceau# du solide que vous deveO étudier 7

msolide $ 33333. .• "lacer les morceau# de solide dans l’eau. Geiller ce qu’ils soient compl!tement

immergés.• Mettre en place le thermom!tre, bien agiter pendant 1F s, puis lire la température sur le

thermom!tre.• Mesurer la résistance du conducteur ohmique chauffant avec un ohmm!tre.• 2mmerger le conducteur ohmique chauffant.• Gérifier que la totalité du solide est immergée.• 4rancher directement le conducteur chauffant sur les bornes E et 1/ G continue de

lalimentation, on commandera lalimentation avec linterrupteur général situé derri!relappareil. Déclencher le chronom!tre et mettre en route lalimentation pendant1E minutes, en agitant de temps en temps leau. *outes les / minutes, bien agiter leliquide pendant 1F s pour être sHr de lhomogénéIté de la température et mesurer denouveau la température. 8rrêter lalimentation au bout de 1E minutes.

t 'min( E / ? J @ 1Et 's(K 'L%(* 'B(

2! E%"loitation

• *racer la courbe qui représente l’évolution de * en fonction de t.>a capacité thermique de l’eau est ceau $ ?,1@ A.B 01  .g01  .

• Déterminer la capacité thermique du solide étudié.• %omparer la valeur indiquée dans la littérature pression atmosphérique et EL% et

conclure sur la précision de la mesure.Solide Duralium >aiton "le#iglas *eflon

%apacité thermiquemassique 'A.g01  .B 01  (

E,P?F E,NQQ 1,?Q 1,EE

". Détermination de la chaleur latente de fusion de la #lace

1! Chaleur latente de usion de la glace

:n définit la chaleur latente massique de fusion de l’eau comme la variation d’enthalpie d’un

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• Mesurer la température du mélange et noter la valeur minimale atteinte qui correspond la température du mélange lorsque l’équilibre est atteint. :n note *f cettetempérature.

$! E%"loitation

• Rcrire l’équation calorimétrique relative cette e#périence• 9n déduire lfus  l’aide de vos mesures e#périmentales.

• %omparer la valeur indiquée dans la littérature et conclure sur la précision de lamesure.

"rise en main de l’oscilloscope

Cappels concernant le fonctionnement de l’oscilloscope

>’oscilloscope est un appareil permettant de mesurer des tensions, continues ou alternatives.Deu# ou ? tensions peuvent être visualisées simultanément. *outes les voies de l’oscilloscopeont une référence commune 7 la masse correspondante la prise de terre de l’alimentation. :nne peut donc visualiser que des tensions a&ant une référence commune la terre.

"lusieurs réglages sont effectuer 7

%hoi# de la voie de s&nchronisation '*rigger 0 source( et niveau de s&nchronisation '*rigger 0 level(2l s’agit de déterminer quelle voie va servir de référence l’affichage. 5ne fois la voiespécifiée, l’oscilloscope va afficher le signal correspondant lorsque celui0ci atteint unecertaine valeur, appelée T niveau de s&nchronisation U. %e mode d’affichage permet d’obtenirune trace nette l’écran.

Céglage des calibres2l faut régler les échelles horiOontales et verticales 7 la base de temps permet de fi#er la duréede bala&age d’un carreau horiOontalement, et les calibres des deu# voies permettent de réglerla tension d’un carreau verticalement

%hoi# du t&pe de visualisationDifférents modes de visualisation e#istent 7

mode bala&age 7 les tensions s’affichent périodiquement au cours du temps. %’est le mode le plus utilisé pour visualiser des tensions périodiques stables.mode T mono0coup U 'single(7 une seule trace l’écran s’affiche. >’affichage se bloque apr!s.

?

R = 100 Ω

C = 50 nF

L de l’ordre de 10 mH

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Mesures temporelles l’oscilloscope 7 étude de circuits C%Céponse un échelon de tension"réparation:n consid!re un circuit C0% de la figure suivante 7

[ig. 1>a tension e't( est un échelon de tension d’amplitude 9. :n posera \$C%.

9crire l’équation différentielle satisfaite par la tension Gc. )uelle est l’équation satisfaite parla charge portée par une des armatures ' définir( du condensateur 9#primer alors la tension v% en fonction du temps, en supposant le condensateur initialement

déchargé.Ceprésenter les allures des tensions Gc et e.Déterminer la valeur de Gc pour t $ .)uelle est l’e#pression du courant circulant dans le circuit :n pourra reprendre rapidementcette étude.%omment réaliser en pratique un échelon de tension avec un générateur

Manipulation%]bler un circuit C% avec les valeurs suivantes 7 % $ 1En[ et C $ 1E

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Ceprendre le montage précédent et visualiser la tension Gc dans les deu# cas mentionnés ci0dessus.Détermination des impédances d’entrée et de sortie.2mpédance de sortie 7

"réparation

:n souhaite déterminer l’impédance de sortie Cout d’un montage. :n modélise le montageélectronique par un générateur de *hévenin équivalent Gs et une résistance de *héveninéquivalente Cout 'qui correspond l’impédance de sortie(, comme c’est représenté sur lafigure suivante 7

[ig. F

9n présence du potentiom!tre C, déterminer le rapport G6Gs en fonction des éléments dumontage. )ue vaut ce rapport pour C$Cout 9n déduire une méthode simple pour déterminer la résistance Cout.

Manipulation 78 l’aide d’un potentiom!tre déterminer l’impédance de sortie du Y4[.

Rout

RVs

V

Q

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2mpédance d’entrée 7"réparation:n souhaite déterminer l’impédance d’entrée Cin d’un montage. :n négligera l’impédanceinterne du générateur. :n consid!re le montage suivant 7

[ig. ?

Déterminer le rapport Gin6Ge . )ue vaut ce rapport lorsque C $ Cin 9n déduire une méthodesimple de détermination de Cin.

ManipulationCetrouver l’ordre de grandeur de l’impédance d’entrée de l’oscilloscope par cette méthode.:n se placera en continu ou en basse fréquence.

%omplément 7 influence d’un appareil de mesure

>’oscilloscope est un appareil de mesure que l’on peut modéliser par un circuit parall!le CE,%E. Si l’on souhaite mesurer la tension fournie par un circuit 'e, C(, on a alors le montage

équivalent la figure /."our les applications numériques, on prendra 7 CE$ 1M, %E$/F p[ . 9n basse fréquence, lecondensateur n’intervient pas 7 il est équivalent un circuit ouvert.

Déterminer le rapport GE6e en fonction de CE et de C.[aire l’application numérique dans les cas suivants 7cas 'a( 7 C $ 1Mcas 'b( 7 C $ 1