🌡️ Le calorimètre et l'équilibre thermique
Un thermos de laboratoire, de l'eau, un bloc de métal brûlant… et un thermomètre qui ne ment jamais. Verse, plonge, attends l'équilibre : la chaleur perdue par l'un est exactement gagnée par l'autre. Puis mène l'enquête : quel est ce métal mystère, et combien « pèse » le calorimètre en eau ?
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Les deux températures se rapprochent puis se rejoignent : c'est l'équilibre thermique. Le corps chaud refroidit, le corps froid se réchauffe.
- Les deux barres du bilan ont toujours la même longueur : la chaleur reçue par l'eau et le calorimètre est exactement celle cédée par le corps ajouté, car le vase Dewar est isolé (Q1 + Q2 = 0).
- Un bloc de plomb à 100 °C réchauffe à peine l'eau, alors qu'un bloc d'aluminium de même masse la réchauffe bien plus : sa capacité thermique massique est environ sept fois plus grande.
- La température finale est plus proche de celle du corps qui a la plus grande capacité thermique m × c : l'eau, avec c = 4 180 J·kg⁻¹·K⁻¹, gagne presque toujours ce bras de fer.
- Avec le calorimètre idéal (μ = 0), la température finale est un peu plus haute ou plus basse qu'avec le vase Dewar : le vase lui-même absorbe une partie de la chaleur.
Expériences à faire
- Mélange 200 g d'eau à 20 °C et 200 g d'eau à 60 °C : la température finale vaut-elle exactement 40 °C ? Pourquoi pas avec le vase Dewar ?
- Plonge 200 g de cuivre puis 200 g d'aluminium, chauffés à 100 °C, dans la même eau : lequel réchauffe le plus l'eau ?
- Quelle masse d'eau à 60 °C faut-il ajouter à 200 g d'eau à 20 °C pour obtenir 37 °C ?
- Comment faire pour que la température de l'eau monte le plus possible avec un bloc de fer à 100 °C ? Choisis ensuite « ✏️ Mon bloc » et donne-lui la capacité thermique de l'eau : que se passe-t-il ?
- Avec le calorimètre inconnu, quelle expérience simple permet de trouver sa valeur en eau μ ?
La physique derrière l'animation
- Chaleur reçue par un corps de masse m et de capacité thermique massique c dont la température passe de θi à θf : Q = m × c × (θf − θi). Sans travail échangé, le premier principe donne ΔU = Q.
- Le calorimètre est isolé : l'énergie interne de l'ensemble ne varie pas, donc Q1 + Q2 = 0, soit (m1 + μ) ceau (θf − θ1) + m2 c2 (θf − θ2) = 0.
- Température d'équilibre : θf = [(m1 + μ) ceau θ1 + m2 c2 θ2] / [(m1 + μ) ceau + m2 c2] : une moyenne pondérée par les capacités thermiques.
- La valeur en eau μ du calorimètre est la masse d'eau qui aurait la même capacité thermique que le vase et ses accessoires : Ccalo = μ × ceau.
- Capacités thermiques massiques (J·kg⁻¹·K⁻¹) : eau 4 180, aluminium 897, titane 523, fer 449, cuivre 385, argent 235, plomb 129. Modèle : calorimètre parfaitement isolé, capacités constantes, pas d'évaporation ni changement d'état (un message prévient si l'eau devait bouillir ou geler) ; l'échange suit une loi exponentielle (film accéléré 20 fois). Avec « ✏️ Mon calorimètre » et « ✏️ Mon bloc », tu choisis μ, c2 et ρ2.
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