TP - Thermodynamique - 2020 [PDF]

Zitiervorschau

Université Hassan II Casablanca ENSAM

Compte Rendu TP Thermodynamique

Encadré Par : Mr Guemimi et Mr Timesli

Fait Par : AKRAM ADRANE Section A

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Table des matières 1 TP 01 : Équation d'état d'un gaz parfait.……..……… 3 1.1 Introduction ................................................................................. 3 1.2 Objectifs de l’expérience............................................................... 3 1.3 Dispositif expérimental ................................................................. 3 1.4 Les manipulations......................................................................... 4 1.4.1 Détermination du volume et de la pression à température constante ...... 4 1.4.2 Détermination du volume à pression constante .................................. 4 1.4.3 Détermination de la pression à volume constante ............................... 4 1.4.4 Conclusion ................................................................................. 4

2 TP 02 : Capacité Calorifique…………..………………….. 5 2.1 Introduction ................................................................................. 5 2.2 Objectifs de l’experience ............................................................... 5 2.3 Dispositif expérimental ................................................................. 5 2.4 Les manipulations......................................................................... 6 2.4.1 Détermination de la capacité calorifique du calorimetre ....................... 6 2.4.2 Détermination de la capacité thermique de l’Aluminium ...................... 6 2.4.3 Détermination de la capacité thermique du Laiton.............................. 6 2.4.4 Conclusion ................................................................................. 6

3 TP 03 : Mesure de pression.………………..………………. 7 3.1 Introduction ................................................................................. 7 3.2 Objectifs de l’experience ............................................................... 7 3.3 Dispositif expérimental ................................................................. 7 3.4 Les manipulations......................................................................... 8 3.4.1 La pression hydrostatique .............................................................. 8 3.4.2 Manomètre à tube de Bourdon ....................................................... 8 3.4.3 Conclusion ................................................................................. 8

4 TP 04 : Pompe à chaleur….………………..……………….. 9 4.1 Introduction ................................................................................. 9 4.2 Objectifs de l’experience ............................................................... 9 4.3 Dispositif expérimental ................................................................. 9 4.4 Les manipulations....................................................................... 10 4.4.1 Le principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur ....................... 10 4.4.2 Les avantages de la pompe à chaleur ............................................. 10 4.4.3 Conclusion ............................................................................... 10

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TP 01 : Equation d'état d'un gaz parfait A.

Introduction :

Grâce aux cours de thermodynamique dispensés par Mr Guemimi, l'état d'un gaz est déterminé par plusieurs paramètres tels que ; la pression, le volume, la température…, ces paramètres contrôle le comportement de ce gaz. Pour le cas idéal d’un gaz, ces variables peuvent être liées par l’équation d’état d’un gaz parfait.

B.

Objectifs de l’expérience :

Notre visée à travers les manipulations de ce TP c'est d'étudier ce qui se passe lorsqu'on modifie l'un de ces paramètres tout en fixant les autres, afin de mettre en évidence l'équation d'état d'un gaz parfait

C.

Dispositif expérimental :

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" 𝑷𝑽 = 𝒏𝑹𝑻 ".

D.

Les manipulations :

• Pour déterminer la pression, on utilisera l’équation suivante : 𝑷 = 𝑷𝒂 + 𝜟𝑷 = 𝑷𝒂 + 𝜟𝒉 ∙ 𝟎. 𝟏𝟑𝟑 = 𝒇(𝜟𝒉) Avec : 𝛥ℎ la distance entre les deux maximums de mercure en 𝑚𝑚−1 . 𝑃 la pression du gaz en 𝑘𝑃𝑎. • Pour déterminer le volume, on a la relation suivante : 𝒅 𝟐 𝑽 = 𝑽𝒄 + 𝑽𝒅,𝒔 = 𝝅 ∙ ( ) ∙ 𝒍 + 𝑽𝒅,𝒔 = 𝒈(𝒍) 𝟐 Avec : 𝑉𝑐 le volume du cylindre sans la demi sphère. 𝑉𝑑,𝑠 le volume de la demi sphère. 𝑑 le diamètre du cylindre. 𝑙 la hauteur du cylindre. • Pour contrôler la température, on a utilisé le thermostat.

1. Détermination du volume et de la pression a température constante : Dans cette 1er manipulation la température est fixée à 25 °C par le thermostat et on détermine les valeurs de pression et du volume. Les valeurs obtenues doivent obéir à une règle spécifique qui est le produit de la pression et du volume est égale à une constante, qui est bien sur la loi de Boyle Mariotte.

𝑃𝑖 ∙ 𝑉𝑖 = 𝑐𝑡𝑒

2. Détermination du volume a pression constante : Dans cette 2eme manipulation la pression est égale à la pression atmosphérique (𝛥ℎ = 0), et on varie la température en même temps mesurant le volume du gaz. Il faut remarquer que la température est proportionnelle au produit du volume et la pression en déduisant que : 𝑃∙𝑉 ∝ 𝑇

3. Détermination de la pression a volume constant : Dans cette 3eme manipulation le volume est fixer à une valeur de référence, et on varie la température en même temps mesurant la pression du gaz, il faut déduire la même remarque précédente.

𝑃∙𝑉 ∝ 𝑇

4. Conclusion : D’après ces manipulations on a pu vérifier l’exactitude de l’équation d’état des gaz parfaits. -4-

TP 02 : Capacité Calorifique A.

Introduction :

La calorimétrie est la partie de la thermodynamique qui a pour objet le calcul et la mesure de la chaleur nécessaire pour augmenter la température d’un corps ou changer son état, et aussi calculer la quantité de chaleur cédée par ce corps lorsqu’il refroidit ; ces mesures, nous permettront de connaitre les propriétés thermiques et les grandeurs physiques liées à ce corps. Le but de ce TP est de déterminer la capacité calorifique du calorimètre en le remplissant d’eau chaude et en mesurant l’augmentation de la température, et aussi de déterminer la capacité calorifique spécifique de l’aluminium et du laiton.

B.

Le Principe Fondamentale Du Calorimètre :

Le calorimètre est un dispositif permettant d'obtenir un système thermodynamique isolé. Sa paroi est souvent indéformable donc W = 0 et l'évolution du système contenu dans le calorimètre est adiabatique donc Q = 0. Cependant il y a des transferts thermiques entre les différentes parties du calorimètre ; constituants étudiés, accessoires, paroi… Comme il n'y a aucun échange thermique avec l'extérieur, cela implique que la somme des chaleurs échangées 𝐐𝐢 au sein du calorimètre est nulle :

C.

Dispositif expérimental :

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∑ 𝑸𝒊 = 𝟎

D.

Les manipulations :

1. Détermination de la capacite calorifique du calorimètre Dans le calorimètre, on introduit 𝑚 = 150𝑔 d’eau à une température de 𝜃 = 15 °𝑪, on ajout 𝑚′ = 200𝑔 d’eau chaud de température 𝜃 ′ = 75 °𝑪 tout en melegant le mélange, et en prenant la température chaque minute pour 10 minutes. On note la température finale du mélange 𝜃𝑓 on peut déterminer la capacite calorifique du calorimètre 𝜇 en utilisant la relation fondamentale du calorimètre ∑ 𝑸𝒊 = 𝟎 tel que : 𝑸𝒊 = 𝒎𝒊 𝑪𝒊 𝜟𝜽𝒊 En appliquant la relation précédente il faut trouver que la capacite calorifique du calorimètre 𝐶𝑐𝑎𝑙 est : 𝑪𝒄𝒂𝒍 = 𝟏𝟗𝟖. 𝟏 𝑱𝑲−𝟏 2. Détermination de la capacite thermique de l’Aluminium : Dans cette 2ème manipulation on prend un bloc d'aluminium de masse 𝑚 = 121𝑔 et on le chauffe pour atteindre une température 𝜃𝐴𝑙 = 88 °𝑪 et on le plonge dans un calorimètre contenant 400𝑔 d'eau froide à la température 𝜃 = 20 °𝑪, afin de déterminer la capacité thermique de l'aluminium on prend la température finale du mélange et on utilisera l'équation suivante : ∑ 𝑸𝒊 = 𝟎 , il faut trouver une valeur qui est proche de la valeur théorique 𝟖𝟗𝟕 𝑱𝑲−𝟏 𝑲𝒈−𝟏

3. Détermination de la capacite thermique du Laiton : De la même méthode on prend un bloc du Laiton de masse 𝑚 = 120𝑔 et on le chauffe pour atteindre une température 𝜃𝐿𝑎𝑖𝑡𝑜𝑛 = 85 °𝑪 et on le plonge dans un calorimètre contenant 400𝑔 d’eau froide a la température 𝜃 = 20 °𝑪, on note la temperature finale du melange 𝜃𝑓 qui est utiliser pour déterminer la capacite thermique du laiton qui devrait être proche de sa valeur théorique 𝟑𝟕𝟕 𝑱𝑲−𝟏 𝑲𝒈−𝟏

4. Conclusion : Ce TP se base sur le principe de la calorimétrie qui permet de mesure la température de notre système à chaque instant pour calculer la chaleur libère et reçu par chaque corps qui constitue ce système, en se basant sur cela, dans la 1ère manipulation. On a pu calculer la valeur en eau du calorimètre et sa capacité thermique pour savoir si on peut les négliger ou pas. Dans la deuxième manipulation on s’intéresse à calculer la capacité thermique massique des trois métaux, (Al, Laiton) sans négligeant la capacité thermique du calorimètre, on a trouvé des valeurs qui sont à peu près égal à la valeur théorique. -6-

TP 03 : Mesure de pression A. Introduction : Dans la plupart des domaines de l'ingénierie la mesure de pression est importante. Il y existe de nombreuses méthodes pour mesurer une pression et beaucoup d’entre elles utilisent des principes hydrostatiques, l'un des équipements les plus importants pour mesurer la pression est le Manomètre de Bourdon ; La mesure est effectuée à partir de la déformation d’un tube creux enroulé en spirale associé à un mécanisme permettant la lecture, lorsque le fluide passe à l’intérieur du tube, sous l’action de la pression, la spire se déforme, entraînant le déplacement de l’aiguille sur le cadran du manomètre.

B.

Objectifs de l’expérience :

Le but de ce TP est de vérifier l’exactitude de mesure d’un Manomètre de Bourdon, en comparant ces mesures avec les valeurs réelles des pressions provoquées par un piston.

C.

Dispositif expérimental :

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D. Les manipulations : 1. La pression hydrostatique : On peut prouver avec des expériences (la capsule manométrique) que la pression augmente avec l’augmentation de la profondeur dans un liquide 𝑷 ∝ 𝒉, et on peut déduire que cette pression n’est pas influencée par la forme du liquide ni l’inclinaison de la capsule. Et si on prend un liquide de masse volumique supérieure, la pression est plus grande à la même profondeur par rapport à un liquide de masse volumique faible, ainsi on déduit la relation suivante : 𝑷 = 𝝆𝒈𝒉 + 𝑷𝒂

2. Manomètre a tube de Bourdon : L’appareil est composé d’un manomètre de Bourdon équipé d’un grand cadran et d’un système d’étalonnage utilisant la technique des poids morts, le manomètre de Bourdon est totalement mécanique, ‘Le tube de bourdon, sous sa forme plus simple est composé d'un tube aplati formant une section circulaire d'environ 270°. Une extrémité du tube est scellée et libre de ses déplacements, l'autre extrémité est fixe et connectée à la chambre ou au conduit dont la pression doit être mesurée, lorsque la pression à mesurer augmente, le tube a tendance à se dérouler, lorsqu'elle diminue le tube tend à s'enrouler davantage. Ce mouvement est transmis par une liaison mécanique à un système d'engrenages connecté à une aiguille. L'aiguille est placée devant un cadran portant les indications de valeur de la pression relative à la position de l'aiguille’. (Wikipédia) Pour vérifier la précision d’un manomètre de Bourdon ou en autre mot calibrer l’appareil, la procédure est de le charger avec des pressions connues par un système de poids morts utilisant de l’huile pour transmettre la pression. Cette expérience, fonctionne cependant de manière satisfaisante en utilisant de l’eau au de l’huile.

3. Conclusion : Les manomètres à tube de Bourdon présentent de nombreux avantages comme leurs résultats précis et le faible coût de production et leur simplicité et leurs normes de sécurité élevées, mais ils ont aussi leurs inconvénients comme par exemple leur lent temps de réponse et le problème d'hystérésis et leur sensibilité aux chocs et les vibrations.

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TP 04 : Pompe à chaleur A. Introduction : La pompe à chaleur est un appareil qui utilise un dispositif thermodynamique, qui permet de transférer de la chaleur provenant d'un milieu froid vers un lieu à chauffer, une pompe à chaleur se compose de cinq éléments de base ; le réfrigérant, l’évaporateur, le compresseur, le condenseur, le détendeur, l’association de ces composants dans le bon ordre permet le fonctionnement d’une tel pompe à chaleur. Et au fait, si nous inversons le rôle de cette pompe à chaleur, nous obtenons un réfrigérateur.

B.

Objectifs de l’expérience :

Le but de ce TP est de comprendre le principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur, les idées de base concernant sa structure et son mode de fonctionnement.

C.

Dispositif expérimental :

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D. Les manipulations : 1. Le principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur : Le principe de fonctionnement de la pompe à chaleur repose sur l’utilisation des calories contenues dans l’air. Un fluide frigorigène, sous forme liquide puis sous forme gazeuse, circule dans le circuit de la pompe à chaleur. Le fluide récupère les calories contenues dans l’air capté par l’intermédiaire d’une unité placée à l’extérieure de l’habitation. Le mécanisme de la pompe à chaleur augmente ensuite la température du fluide sous forme de vapeur haute pression, puis récupère cette chaleur pour la diffuser dans votre habitation sous forme d’air chaud. Ce principe de fonctionnement se compose de quatre phases : • Le fluide frigorigène, à l’état liquide, récupère les calories de l’air extérieur. La température du fluide augmente grâce à l’énergie captée. Le fluide se transforme alors en gaz et s’évapore. • Le compresseur, alimenté par un moteur électrique, aspire et compresse le fluide frigorigène. À la fin de cette phase, le fluide gazeux est chaud et sous haute pression. • La condensation du fluide frigorigène, alors à l’état de vapeur haute pression, permet de transmettre la chaleur à l’air intérieur. Le gaz repasse à l’état liquide. • Le détendeur fait chuter la pression du fluide frigorigène et prépare le fluide liquide avant la phase d’évaporation.

2. Les avantages de la pompe à chaleur : Parmi les avantages d’une telle pompe à chaleur on cite : • La faible consommation d’énergie ce qui est dû au rendement supérieur de la pompe à chaleur. • Pas de rejets, ce système ne rejette pas de fumées dans l’atmosphère ce qui est très important pour l’environnement. • Les faibles coûts de maintenance.

3. Conclusion : L'invention de la pompe à chaleur était l'une des plus importantes inventions jamais faites par l'homme et ils ont fait une percée dans le domaine de la thermodynamique qui a aidé les domaines de l'ingénierie à progresser de plus en plus.

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