Physique – Chimie La pratique du sport EFFETS THERMIQUES D

© PIERRON 2011 Les effets thermiques (page 1)

Document fiche professeur 1/15

Programme : BO spécial n°4 du 29/04/2010 Thème – LA PRATIQUE DU SPORT

Notions et contenus Compétences attendues

Les besoins et les réponses de l’organisme lors d’une pratique sportive : lors d’une activité physique, des transformations chimiques et physiques se produisent et s’accompagnent d’effets thermiques. Les apports alimentaires constitués d’espèces ioniques ou moléculaires permettent de compenser les pertes dues au métabolisme et à l’effort.

Système chimique. Réaction chimique.

Décrire un système chimique et son évolution. Pratiquer une démarche expérimentale pour mettre en évidence l’effet thermique d’une transformation chimique ou physique.

Pré requis

o La dissolution (5ème) o Les combustions (4ème) o Utilisation et lecture d’un thermomètre (5ème)

Mots-clé

o Effet thermique o Quantité d’énergie o exothermique o endothermique o le joule o la calorie o valeur énergétique

Liste de matériel : Professeur

o Chlorure d’ammonium 1kg Ref. 01078980 o Pastilles de soude 1 kg Ref. 01817980 o Chlorure de sodium 1 kg Ref. 01808980 o Eau distillée 5L Ref. 01372988

Poste élève

o Calorimètre à vase Dewar Ref. 00174 o Thermomètre à liquide rouge Ref. 00839 o Thermomètre électronique Ref. 04967 o Turbulent lisse 20 mm (par 2) Ref. 15027 o Agitateur magnétique Ref. 15140 o Spatule double Ref. 06652 o 3 béchers 50mL Ref. 06807 o Verre de montre diam 80mm (lot de 10) Ref. 06647 o Balance électronique à 0,1 g (portée 500g) Ref. 06089 o Entonnoir pour poudre Ref. 06851 o Eprouvette 250 mL Ref. 08660 o Support statif Ref. 00702 o Noix double giratoire diam 16mm Ref. 00166 o Pince à 2 mâchoires en V sans noix de serrage Ref. 01735 o Lunette de protection Ref. 43527 o Gants latex taille L Ref. 91693

Physique – Chimie EFFETS THERMIQUES D’UNE TRANSFORMATION CHIMIQUE OU PHYSIQUE

Niveau 2nde

La pratique du sport



Remarques et astuces

La calorimétrie est la science ces mesure des quantités d’énergie. Elle permet de mesurer soit la quantité d’énergie cédée par un corps chaud lors de son refroidissement, soit la quantité d’énergie captée par un corps froid qui s’échauffe, soit la quantité d’énergie cédée au milieu extérieur par une réaction exothermique ou celle qu’absorbe une réaction endothermique. La calorimétrie se fonde sur les échanges thermiques, elle permet de déterminer les propriétés thermiques de certains corps mais aussi d’accéder à des grandeurs de réactions.

En calorimétrie, la précision des résultats dépend :

de la précision du thermomètre utilisé. de la nature des produits utilisés, ainsi les pastilles d’hydroxyde de sodium ont tendance à s'hydrater spontanément au

contact de la vapeur d’eau contenue dans l’air. du calorimètre dont l'isolation thermique n'est pas totale. Par ailleurs, il faut mener les expériences le plus rapidement possible.

o Principe des mesures calorimétriques

Elles s’effectuent dans des enceintes thermiquement isolantes, c’est-à-dire qui empêchent tout échange d’énergie thermique avec le milieu extérieur.

o Notion d’équilibre thermique : L’énergie passe toujours spontanément du corps chaud vers le corps froid. Dans l’état d’équilibre thermique, les corps en présence sont à la même température : la température d’équilibre.

o Principe des échanges d’énergie : Lorsque deux corps sont mis en présence dans une enceinte thermiquement isolante et atteignent l’équilibre thermique, la quantité d’énergie cédée par le corps chaud est égale à la quantité d’énergie captée par le corps froid.

o Capacité thermique massique La quantité d’énergie Q qu’il faut fournir à la masse m d’une substance pour élever sa température de T1 à T2 s’écrit : Q = m.c.(T2 – T1) avec Q : quantité d’énergie exprimée en joules (J), m: masse de la substance en kg. c : capacité thermique massique en J.kg-1.K-1. (T2 – T1 ) : variation de température en °C ou K. La capacité thermique massique d’une substance est numériquement égale à la quantité de chaleur qu’il faut fournir à l’unité de masse (soit 1 kg) de la substance pour élever sa température de 1degré. Attention : ne pas confondre c : capacité thermique massique en J.kg-1.K-1 et C : capacité thermique en J.K-1 Relation entre les deux grandeurs : C = m.c Remarque : Lorsqu’on effectue un mélange dans un calorimètre, une partie de la chaleur dégagée lors du mélange est absorbée par le calorimètre. Pour caractériser la capacité du calorimètre à absorber de la chaleur, on définit sa valeur en eau. La valeur en eau du calorimètre représente la masse d’eau qui absorberait la même quantité de chaleur que le calorimètre. D’après les caractéristiques fournis par le concepteur du calorimètre qui sera ici utilisé, la valeur en eau du « calorimètre + agitateur » est 14,7 g.

o La dissolution : La dissolution d'un composé ionique passe par trois étapes :

la première dans laquelle les ions sont arrachés à la structure cristalline par les molécules d’eau : ce processus est endothermique ;

dans une deuxième étape, les molécules d’eau doivent s’éloigner les unes des autres par rupture des liaisons



hydrogène pour laisser de la place aux ions du cristal : ce processus est aussi endothermique ; la troisième au cours de laquelle les ions arrachés sont solvatés, ici hydratés. Ils s'entourent alors d'une

couronne de molécules d'eau orientées dans l’espace selon le type d’ions : ce processus est exothermique.

Suivant l'importance relative de ces trois phénomènes, le bilan global peut donc être exothermique, athermique ou endothermique. Remarque concernant l’activité 3 Le protocole expérimental de l’activité 3 nécessite des conditions de sécurité rigoureuses car il y a combustion. Par ailleurs, les valeurs trouvées s’écartent sensiblement des valeurs énergétiques théoriques indiquées sur les emballages car la canette métallique ne peut se prévaloir d’être un véritable calorimètre et par conséquent les fuites thermiques sont loin d’être négligeables. Attention, la combustion de la cacahuète dégage des fumées noires qui risquent de déclencher des détecteurs de fumée si 8 postes sont envisagés. Prolongements possibles : Histoire des sciences

De l’art de la bière à la physique ou comment James Joule a mesuré le rapport entre travail et la « chaleur ». Dans la région de Manchester, le nom de Joule est associé à la production de bière. En 1818, pendant la veillée de Noël, un petit James Prescott, voit le jour. Membre de la troisième génération de brasseurs, il prend la relève de son père et développe l’entreprise familiale. A ses heures perdues, dans les caves de la brasserie, il travaille pour matérialiser son rêve : devenir un homme de science… Son idée est simple : prendre une cuve, la remplir d’eau, immerger un système de pales associé à des poids, les faire tourner et voir de combien s’élève la température de l’eau. Puis trouver un rapport quantitatif entre le travail mécanique fourni et la chaleur produite. Quoi de plus simple ? Ainsi, James Joule montre qu’il est possible de créer de la chaleur à l’intérieur d’une enceinte en effectuant simplement du travail. Remarque : pour Joule et pendant longtemps la chaleur a été de l’énergie, on sait maintenant que ce n’est qu’un mode de transfert de l’énergie ! L’enceinte, aux parois en cuivre, est remplie d’eau. Des pales en laiton, reliées à un axe, sont mises en rotation par action d’une manivelle. Un système de poulies, de câbles et de poids permet de quantifier le travail fourni. Les multiples expériences sont concluantes : la température de l’eau monte quand les pales sont en mouvement. La température de l’eau est enregistrée au début et en fin d’expérience. Quelques calculs fort simples permettent d’aboutir à cette conclusion principale : lorsqu’un poids donné est descendu d’une hauteur h donnée, c’est-à-dire lorsqu’un travail mécanique a été effectué, la température de l’eau contenue dans le récipient s’est élevée. Joule recommence l’expérience 0 fois en 35 minutes. Il est alors aisé de diviser la quantité de travail mécanique fournie par la différence de température mesurée. A la suite d’expériences rigoureuses, Joule trouve que ce rapport ramené aux unités actuelles est tel que 1 kcal = 4200 J. : ce résultat a été appelé « l’équivalent mécanique de la « chaleur » ».



Pantagruel, personnage de Rabelais, célèbre pour son appétit.

Dans l’appareil utilisé par Joule, on décèle clairement l’apport des techniques de brassage auxquelles il est confronté quotidiennement :

- les fines feuilles de cuivre qui constituent son récipient, sont identiques à celles des chaudières. - la roue à palettes présente de frappantes similitudes avec le mécanisme qui mélange l’eau et le malt. - pour la lecture des températures, il utilise des thermomètres d’une extrême précision employés lors du

brassage. Il gradue et étalonne ses thermomètres grâce au microscope de voyage mis au point par un fabricant d’instrument de Manchester au savoir-faire incomparable, John Benjamin Dancer.

C’est ainsi qu’en mesurant précisément la quantité de travail d’un côté et la quantité de « chaleur » de l’autre, Joule établit le premier coefficient d’équivalence entre travail et « chaleur ». Biologie

Le corps, source de transformations chimiques Pourquoi la respiration est essentielle à notre survie ? Parce que nos muscles et nos organes ont besoin de dioxygène, bien sûr. Mais comment l’utilisent-ils ? Une question d’énergie « « Mange pour prendre des force ! » Vous avez sans doute déjà entendu cette phrase. Pour fonctionner, nos muscles et nos organes ont, en effet, besoin d’énergie et c’est dans l’alimentation que nous la puisons. Mais comment notre nourriture se transforme-t-elle en « carburant » pour notre corps ? Ne pas manquer d’air Au fur et à mesure de sa progression dans notre système digestif, la nourriture est décomposée en molécules de plus en plus simples. Parmi elles, le glucose fait le voyage vers les cellules. C’est là, dans les cellules, qu’intervient le dioxygène que nous inspirons! Il s’y produit une transformation chimique entre le glucose et le dioxygène, que le sang a transporté depuis les poumons jusqu’aux cellules. Une transformation proche d’une combustion



Qui dit transformation chimique dit réactifs et produits. Alors que deviennent le glucose et le dioxygène ? L’un des produits de la transformation est le dioxyde de carbone. C’est un déchet, il est éliminé de l’organisme lors de l’expiration. Le second produit est quant à lui utilisé par le corps : c’est l’eau. La particularité de cette transformation chimique : elle dégage une grande quantité d’énergie ! Une énergie qui pourra être utilisée par les cellules pour faire fonctionner nos muscles et nos organes. L’énergie du sportif Les activités physiques nécessitent un apport d’énergie : cette énergie est libérée au cours de transformations chimiques se produisant dans l’organisme et dont les réactifs de base sont les glucides, comme le glucose, les lipides, comme le cholestérol, et les protides. Les besoins énergétiques quotidiens d’un être humain sont estimés à 11 500 kJ mais, lors d’un effort physique, ces besoins augmentent considérablement et l’énergie doit être libérée très rapidement et en quantité importante. Une des principales réserves d’énergie est le glycogène, molécule dont environ 400 g sont stockés dans les muscles et environ 100 g dans le foie. Durant un effort physique, le glycogène libère du glucose, qui va servir de réactif à des transformations produisant de l’énergie. Le processus libère une quantité d’énergie qu’on estime à 2 800 kJ par mole de glucose. L’énergie libérée par la transformation chimique n’est pas intégralement exploitée en énergie mécanique : le muscle possédant un faible rendement, environ 25% de cette énergie va servir pour l’effort musculaire, le reste étant perdu sous forme d’énergie calorifique. Cette dernière va avoir pour effet d’augmenter la température du corps et de déclencher un mécanisme réflexe de sudation, dans lequel l’eau expulsée rafraîchit le corps, atténuant cette augmentation de température. Energie et alimentation Chacun d’entre nous consomme plusieurs kilogrammes d’aliments par jour, boissons comprises, qui sont dégradés en nutriments avant d’être absorbés par la paroi intestinale. Les nutriments sont classés en familles : lipides, glucides et protides. Les protides absorbés sont surtout transformés et utilisés pour renouveler nos propres protéines. Les glucides et les lipides subissent une combustion lente. En permettant des expressions comme « brûler les sucres et les graisses », le langage courant traduit cette similitude entre dégradation des aliments et combustion vive ce qui est inexact ! Du point de vue énergétique, les glucides et les lipides sont utilisés comme combustibles en présence du dioxygène apporté par la respiration. La transformation complète en dioxyde de carbone et eau d’un gramme de lipide apporte 37 kJ à l’organisme, la même transformation pour un gramme de glucide libère 17 kJ. Le tableau suivant indique la composition nutritionnelle et l’apport énergétique pour 100g d’aliments.

Famille de nutriments Eléments chimiques minéraux

Aliments Energie apportée (kJ)

Glucides (kJ)

Protides (kJ)

Lipides (kJ)

Sodium (mg)

Magnésium (mg)

Potassium (mg)

Calcium (mg)

Phosphore (mg)

Abricot frais 209 11,2 0,8 0,2 2 62 278 16 - Abricot sec 1158 63,4 4,6 0,4 26 62 1370 67 - Amande sèche

2592 17,0 20,0 54,0 4 254 800 254 -

Lait écrémé 145 5,0 3,2 0,5 47 12 160 112 90 Lait entier 272 5,0 3,2 3,5 47 12 150 112 95 Pastèque 104 5,3 0,4 0,2 4 8 158 5 -

Tableau indiquant l’énergie dépensée par activité

1 cal = 4,18 Joules (cal : calorie ; J : joule)



Activité Dépense énergétique Métabolisme de base 60 kcal/h Marche à pied 5 km/h 240 kcal/h Course à pied 11km/h 900 kcal/h

Cyclisme 360 à 900 kcal/h Ski de fond 750 à 1000 kcal/h

Natation 700 kcal/h

Estimer vos besoins énergétiques.

Il est possible de calculer les besoins énergétiques journaliers à partir des calculs du métabolisme de base et d’un coefficient multiplicateur tenant compte de l‘activité physique. a. Calcul du métabolisme de base EM.B en kcal (énergie dépensée par l’organisme complètement au repos) :

Pour un homme : EM.BH = 66 + (13.8 × masse) + (5.0 × taille) – (6,8 × âge) Pour une femme : EM.BF = 655 + (9.6 × masse) + (1.9 × taille) – (4,7 × âge) avec la masse en kg, la taille en cm et l’âge en année.

b. Calcul des besoins énergétiques journaliers

Application du coefficient multiplicateur au métabolisme de base en fonction de l'activité:

Adolescent scolarisé et ayant une activité légère: 1,3 × EM.B Adolescent scolarisé et ayant une activité modérée: 1,7 × EM.B Adolescent scolarisé et ayant une activité importante : 1,9 × EM.B



Objectifs :

- Mettre en œuvre un protocole expérimental. - Savoir mesurer la température d’un système. - Savoir identifier et évaluer les effets thermiques d’une transformation chimique

ou physique.

ACTIVITÉ 1 : EFFET THERMIQUE DE LA DISSOLUTION DE COMPOSÉS IONIQUES DANS L’EAU.

1. Présentation

Le « froid » peut être utile en secourisme, particulièrement en milieu sportif. Il a plusieurs effets :

effet antalgique : le froid calme la douleur. action anti-inflammatoire : le froid permet d’atténuer la formation d’hématomes, œdèmes ... action hémostatique : le froid diminue le saignement des fibres musculaires lésées car il

provoque le rétrécissement des capillaires sanguins)

Un système cryogène : la poche de froid instantané Les poches de froid instantané contiennent un composé ionique et de l’eau séparés par une paroi interne. Le principe consiste à rompre la paroi interne en appuyant sur la poche, la réaction qui se produit entre ce composé et l’eau crée une sensation de froid. Comme pour la poche de froid, la dissolution d’un composé ionique dans l’eau s’accompagne-t-elle toujours d’un tel effet ?

2. Manipulation

L’hydroxyde de sodium, le chlorure d’ammonium et le chlorure de sodium se présentent sous la forme de trois solides blancs à température ambiante.

Préparer 3 verres de montre contenant respectivement 4g d’hydroxyde de sodium, 4 g de chlorure d’ammonium et 4g de chlorure de sodium.

Remplir, à l’aide d’une éprouvette graduée, 3 béchers distincts avec 50mL d’eau distillée.

Relever la température initiale θi de l’eau dans chaque bécher à l’aide de la sonde thermométrique.

Verser le contenu de chaque verre de montre dans un bécher.

Remuer avec un agitateur en verre jusqu’à dissolution complète.

Relever la température finale θf de chaque solution.

Chimie : Thème : La pratique du sport EFFETS THERMIQUES D’UNE TRANSFORMATION CHIMIQUE OU PHYSIQUE

Nom : Prénom : Classe : Date :



3. Résultats et exploitation. Compléter le tableau suivant 50mL d’eau distillée

+ 4g d’hydroxyde de sodium

50mL d’eau distillée + 4g de chlorure

d’ammonium

50mL d’eau distillée + 4g de chlorure de

sodium Température initiale

θi (en °C) 20,1 20,1 20,1

Température finale θf (en °C)

40,3 14,7 20,0

Indiquer sous le nom de chaque bécher le nom du composé dissous. Compléter la conclusion ci-dessous avec les termes: « effet thermique, augmentation, température, endothermique »

Conclusion Lorsque la dissolution d’un composé ionique s’accompagne d’une augmentation de la température, la réaction est dite exothermique. La dissolution d’un composé ionique peut également s’accompagner d’une diminution de la température. , la réaction est dite endothermique Si aucun effet thermique n’apparait lors d’une transformation chimique, la réaction est dite athermique.


Document du professeur 9/15

ACTIVITÉ 2 : ETUDE DES EFFETS THERMIQUES D’UNE DISSOLUTION PAR CALORIMÉTRIE.

1. Présentation

Lorsqu’une transformation physique ou chimique a lieu, il y a transfert d’énergie entre le système considéré et le milieu extérieur sous forme de chaleur.

Si la transformation fournit de l’énergie, elle est dite exothermique, si elle consomme de l’énergie, elle est dite endothermique.

Pour effectuer la mesure de quantités d’énergie, on dispose d’un appareil appelé calorimètre. Les calorimètres sont des enceintes thermiques isolantes : ils sont conçus pour limiter au maximum les fuites énergétiques. Voici le schéma d’un calorimètre type Dewar : Un vase Dewar est un récipient à double paroi de verre : à l’intérieur du volume ainsi formé règne un vide poussé.

On se propose de mesurer la quantité d’énergie échangée avec l’extérieur lors de la dissolution d’un solide dans l’eau.

2. Manipulation

Verser dans une éprouvette graduée Veau = 200mL d’eau distillée. Ce volume d’eau a une masse meau = 200g.

Verser ensuite l’eau dans le calorimètre. Attendre quelques minutes puis relever la température initiale θi. Peser avec grande précaution une masse m= 4,0g de pastilles

d’hydroxyde de sodium. Introduire les pastilles dans le calorimètre. Agiter. Laisser la réaction de dissolution se dérouler. Relever la température finale de la solution obtenue θf .

Recommencer la manipulation en utilisant un volume d’eau V’eau =100mL de masse meau = 100 g et une masse m’= 8,0 g de chlorure d’ammonium.



3. Résultats et exploitation.

Dissolution 1 des pastilles d’hydroxyde de sodium : Température initiale de l’eau θi = 20,1 °C

Dissolution 2 du chlorure d’ammonium : Température initiale de l’eau θi = 20,1 °C

L’énergie Q reçue par l’eau est liée à la masse de l’eau, à la variation de la température et à un coefficient C par la relation :

Q = meau . ceau . (f - i) avec : « chaleur massique de l’eau » : ceau = 4,18 J.°C-1.g-1.

meau en g : masse d'eau introduite dans le calorimètre à laquelle il faut ajouter la valeur en eau du calorimètre et de ses accessoires, soit 14,7 grammes

Déterminer la quantité d’énergie Q1 reçue par l’eau lors de la dissolution des pastilles d’hydroxyde de sodium. Conclure. Q1 = (200 + 14,7) × 4,18 × (25,3 - 20,1) = 4,67.103 J > 0, L’eau s’est réchauffée, elle a reçu de la chaleur du système chimique. Déterminer la quantité d’énergie Q2 cédée par l’eau lors de la dissolution de la poudre de chlorure d’ammonium. Conclure. Q2 = (100 + 14,7) × 4,18 × (14,7 - 20,1) = - 2,59.103 J < 0, L’eau s’est refroidie, elle a cédé de la chaleur au système chimique. Compléter la conclusion ci-dessous avec les termes: « dissolution, physique, température, effets thermiques »

200mL d’eau distillée + 4,0 g d’hydroxyde

de sodium

100mL d’eau distillée + 8,0g de chlorure d’ammonium

Température finale θf (en °C)

25,3 14,7

Conclusion Au cours de la dissolution d’une substance chimique dans un solvant, la température peut donc augmenter ou diminuer. La dissolution est une transformation physique qui s’accompagne d’effets thermiques.



ACTIVITÉ 3 : ÉTUDE DES EFFETS THERMIQUES LORS D’UN CHANGEMENT D’ÉTAT D’UNE SUBSTANCE.

1. Présentation En été, à la plage, lorsqu’on sort de l’eau, on ressent une sensation de froid en plein vent. Cette sensation disparait dès que notre corps n’est plus mouillé. De la même manière, quand on met sur la peau une compresse imbibée d’alcool, on ressent cette sensation de froid pendant quelques instants. Comment interpréter ce phénomène ?

2. Expérience Entourer la sonde d’un thermomètre numérique de coton fixé à l’aide d’un

élastique. Relever la température initiale θi : θi = 19,0°C Plonger le coton dans un bécher contenant de l’alcool. Suivre l’évolution de la température. Noter la valeur de la température finale

θf dans le tableau ci-dessous. Recommencer l’expérience avec de l’acétone.

Attention l’acétone et l’alcool sont des produits à manipuler avec précaution.

3. Résultats et exploitation

a. Dans quel état l’acétone et l’alcool se présentent- ils au début de l’expérience ? L’acétone et l’alcool se présentent à l’état liquide.

b. Dans quel état passent l’acétone et l’alcool ? Pourquoi ?

L’acétone et l’alcool passent à l’état gazeux. Le coton n’est plus mouillé.

c. Quel changement d’état subissent donc l’acétone et l’alcool ? L’alcool et l’acétone subissent une évaporation.

Remarque : Il ne faut pas confondre ébullition et évaporation qui sont toutes les deux des vaporisations. L’évaporation se fait à la surface du liquide et à n’importe quelle température, l’ébullition se fait dans tout le liquide avec apparition de bulles de gaz à une température donnée sous pression donnée.

d. Comment évolue la température durant ce changement d’état ?

Lors de cette évaporation, la température diminue.

e. Compléter le texte suivant : Le passage de l’acétone ou de l’alcool, par évaporation, de l’état liquide à l’état gazeux, absorbe de l’énergie que la substance puise dans l’air environnant, ce qui explique la baisse de température.

f. Interpréter maintenant la sensation de froid ressenti à la mer en sortant de l’eau.

L’eau sur notre corps passe de l’état liquide à l’état gazeux en absorbant de l’énergie dans le milieu environnant dont notre corps, d’où cette sensation de froid.

Coton imbibé d’alcool Coton imbibé d’acétoneTempérature finale

θf (en °C) 12,6 11,2



Compléter la conclusion ci-dessous avec les termes: « endothermiques, exothermiques, physiques, évaporation, effets thermiques, froid » ACTIVITÉ 4 : DÉTERMINATION EXPÉRIMENTALE DE LA VALEUR ÉNERGÉTIQUE D’UN FRUIT SEC.

4. Principe Pour vivre tout organisme a besoin d'énergie. Le métabolisme représente la dépense énergétique pour assurer une série de fonctions telles que le maintien des activités vitales, la thermorégulation, le travail musculaire, etc. La source d'énergie est évidemment l'alimentation : glucides, lipides et protides apportent des composés organiques qui vont être utilisés par l'organisme. Pour déterminer l’apport énergétique d'un aliment, schématiquement il suffit de le brûler, de recueillir et de mesurer l'énergie dégagée. Comment mesurer cette énergie dégagée ? On va utiliser l’énergie dégagée lors de la combustion pour chauffer une masse d'eau connue. En admettant qu'il n'y a pas de pertes, ce qui n'est pas le cas !, et sachant que par définition, il faut apporter 4,184 J à un 1 g d’eau pour élever sa température de 1 °C, la mesure de l’élévation de la température de l’eau lors de la combustion permettra de déterminer la valeur énergétique de l’aliment.

On se propose donc de réaliser la combustion d’un fruit sec, en l’occurrence une cacahuète, pour connaître son apport énergétique.

5. Manipulation:

Déterminer la masse mcanette d’une canette en aluminium vide : mcanette = 28,5g La remplir d’environ 200 g d’eau. Essuyer toute trace d’eau sur le couvercle. Déterminer la masse m canette + eau de la canette et son contenu.

m canette + eau = 184,86g Mesurer la température initiale de l’eau i : i = 19°C

Préparer le montage comme sur le schéma ci-après. Au besoin, coller le bouchon avec un peu de cire. Suspendre la boîte à un fil par la languette d'ouverture Déterminer la masse m du fruit sec avec précision : mfruit = 1,62 g Avec précaution, planter le fruit sec dans l’aiguille. Enflammer le fruit sec à l’aide d’une allumette. Attendre que le fruit sec soit totalement consumé. Remuer l’eau et mesurer la température f du mélange final :f = 50 °C Déterminer la masse du résidu de fruit brûlé : mrésidu= 0,55 g

Conclusion Certaines transformations physiques telles que l’évaporation d’un liquide, la fusion d’un solide sont endothermiques : elles absorbent de l’énergie. En particulier, en absorbant de l’énergie, l’évaporation d’un liquide provoque « du froid ». D’autres transformations physiques, telles la solidification ou la liquéfaction, sont exothermiques : elles libèrent de l’énergie. D’une manière générale, les transformations physiques s’accompagnent d’effets thermiques.



6. Exploitation des résultats :

Fruit sec mcanette

(en g)

m canette + eau

(en g)

meau

(en g)

i

°C

f

°C

mfruit (en g)

mrésidu (en g)

m = mfruit – mrésidu (en g)

Cacahuète 28,50 184,86 156,36 19 50 1,62 0,55 1,07

L’énergie libérée par la combustion de la masse m de fruit sec est reçue par l’eau : sa température augmente. L’énergie Q reçue par l’eau est liée à la masse de l’eau, à la variation de la température et à un coefficient C par la relation : Q = meau .ceau (f - i) avec la « chaleur massique de l’eau » ceau = 4,184 J.°C-1.g-1.

L’énergie E libérée par la combustion de 100 g de fruit sec est donnée par la relation :

À partir des valeurs du tableau et de la formule ci-dessus, calculer la valeur énergétique de 100g de fruits secs.

Comparer la valeur calculée et la valeur théorique figurant sur l’étiquette de l’aliment ci-contre :

Cacahuète grillée : 2592 kJ/100g

1001000

).(.

m

CmE ifeaueau

E étant exprimée en kJ/100 g



La valeur calculée est plus faible. La différence est due à la canette métallique qui ne peut se prévaloir d’être un véritable calorimètre et en conséquence les fuites thermiques sont loin d’être négligeables. Compléter la conclusion ci-dessous avec les termes : « chimique, température, effets thermiques, combustion ». EXERCICES D’APPLICATION :

Soudure à l’eau. Sur une planche en bois, on verse de l’eau et on pose dessus un erlenmeyer contenant environ 20g de nitrate d’ammonium solide NH4NO3(s). On verse alors 20mL d’eau dans l’erlenmeyer et on agite avec une tige de verre jusqu’ à dissolution complète sans bouger le récipient. On bouche l’erlenmeyer et on retourne la planche. En observant la planche, on remarque une pellicule de glace entre celle-ci et l’erlenmeyer, ce qui explique que ce dernier ne tombe pas lorsqu’on retourne la planche. 1. La solidification de l’eau est-elle une transformation chimique ou physique ? 2. Que peut-on dire de cette expérience sur les effets thermiques de la dissolution du nitrate d’ammonium ? Réponses 1. L’eau passe de l’état liquide à l’état solide, c’est un changement d’état, il s’agit toujours du corps pur eau, donc c’est une transformation physique. 2. La dissolution du nitrate d’ammonium est un phénomène endothermique.

Source d’énergie dans l’organisme L’énergie nécessaire au fonctionnement de l’organisme provient de la transformation des aliments. L’une des sources d’énergie est la dégradation des glucides en glucose, C6H12O6, qui, transporté par le sang dans les différentes cellules, est transformé en eau et dioxyde de carbone. La ‘combustion’ d’une mole de glucose libère une énergie de 2700 kJ. 1. La combustion du glucose est-elle une transformation physique ou chimique ? Pourquoi ? 2. Ecrire l’équation de combustion complète du glucose. 3. Comment qualifie-t-on une transformation au cours de laquelle le système chimique fournit de l’énergie à l’extérieur ? 4. Quelle est l’énergie libérée par la combustion de 6g de glucose ? Donnée : Masse molaire du glucose Mglucose = 180 g.mol-1 Réponses 1. Il s’agit d’une transformation chimique. En effet, lors de la combustion du glucose, des composés apparaissent(le dioxyde de carbone et l’eau). 2. C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O 3. Une transformation qui fournit de l’énergie à l’extérieur est dite exothermique. 4. 1 mol de glucose, soit 180g de glucose, libère 2700 kJ. 6g de glucose libère donc30 fois moins d’énergie soit 2700/30 = 90kJ.

Conclusion : Au cours d’une transformation chimique, la température peut varier. Les transformations chimiques telles que les combustions s’accompagnent d’effets thermiques.



Source d’énergie dans l’organisme L’énergie nécessaire au fonctionnement de l’organisme provient de la transformation des aliments. L’une des sources d’énergie est la dégradation des glucides en glucose(C6H12O6) qui, transporté par le sang dans les différentes cellules, est transformé en eau et dioxyde de carbone. La combustion d’une mole de glucose libère une énergie de 2700 kJ. 1. La combustion du glucose est-elle une transformation physique ou chimique ? Pourquoi ? 2. Ecrire l’équation de combustion complète du glucose. 3. Comment qualifie-t-on une transformation au cours de laquelle le système chimique fournit de l’énergie à l’extérieur ? 4. Quelle est l’énergie libérée par la combustion de 6g de glucose ? Donnée : Masse molaire du glucose Mglucose = 180g.mol-1 Réponses 1. Il s’agit d’une transformation chimique. En effet, lors de la combustion du glucose, des composés apparaissent(le dioxyde de carbone et l’eau). 2. C6H12O6 + O2 6 CO2 + 6 H2O 3. Une transformation qui fournit de l’énergie à l’extérieur est dite exothermique. 4. 1 mol de glucose, soit 180g de glucose, libère 2700 kJ. 6g de glucose libère donc 30 fois moins d’énergie soit 2700/30 = 90kJ

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Physique – Chimie La pratique du sport EFFETS THERMIQUES D