crsa_M1_exos_calorimetrie.odt ­ Marie Pierrot – Lycée du Rempart ­ 03/11/13

Exercices – Calorimétrie – Changements d'états

Exercice 1En hiver, par beau temps, la quantité de neige sur un toit peut diminuer.1) A 5°C, sous 1.105 Pa, quelle transformation subit la neige qui « disparaît » ?2) A ­ 5°C, sous 1.105 Pa, quelle transformation subit la neige qui « disparaît » ?données : 1 atm = 101 325 Pa

Exercice 2Pour alimenter en eau chaude un lave­main, on utilise un chauffe­eau parfaitement isolé qui débite 2 litres d'eau par minute à la température de 40°C. L'eau pénètre dans le chauffe eau à 18°C.a) Calculer l'énergie thermique à fournir à l'eau en une minute.b) Quelle doit­être la puissance fournie en kW ?.Données : capacité thermique massique de l'eau : c = 4180 J.kg­1.°C­1

                          masse de 1 L d'eau : 1 kg

Exercice 3 : Application du diagramme de phase de l’eau : La lyophilisation du café.Une solution de café est préparée, elle est solidifiée à – 40° C, elle est découpée en lingot puis broyée en fines particules. Les paillettes ainsi obtenues sont ensuite admises dans des chambres ou règnent une pression réduite. Là, elles sont ensuite réchauffées. L’eau est ainsi éliminée. Il ne reste plus que l’extrait sec de la solution, celui ci est conditionné puis mis en vente.1) Sur le diagramme de phase, indiquez le parcours réalisé par l’eau contenue dans la solution de café.2) Quel changement d’état se produit dans la chambre basse pression quand on réchauffe les paillettes de café ?3) Quelle doit être la valeur maximale de la pression dans cette chambre ?4) Pour quelle raison broie­t­on les lingots de café ?5) Le résultat de la lyophilisation serait à priori le même si on faisait s’évaporer l’eau liquide de la solution de café.Pourquoi cette méthode pour obtenir l’extrait sec de café n’est­elle pas adoptée ?

Exercice 4Dans une centrale électrique thermique ou nucléaire, il faut pour améliorer le rendement des turbines, refroidir les condenseurs. On utilise soit directement l'eau de mer, soit l'eau d'un fleuve. Par exemple, pour une centrale de puissance installée 4000 MW, on prélève en amont 12 m3 par seconde d'eau dans un fleuve.10 m3 par seconde sont rejetés en aval avec une élévation de température de 10°C, les 2 m3 restant sont évaporés dans les tours de réfrigération.a) Calculer la quantité de chaleur évacuée, par seconde, dans le fleuve.b) On envisage de recueillir cette eau chaude pour l'utiliser dans le chauffage des serres, des sols agricoles ou en aquaculture. Quelle quantité de fuel devrait­on employer, par an, pour disposer de la même énergie ?Données : capacité thermique massique de l'eau : c = 4180 J.kg­1.°C­1

                          pouvoir calorifique du fuel : 37400 kJ.L­1

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Exercice 5On désire conserver une masse de 30 kg d'aliments. Pour cela, on utilise un congélateur. La température initiale des aliments est de 23°C. Le congélateur est réglé pour atteindre une température finale de – 18°C. On suppose que les aliments congèlent à 0°C sous la presssion atmosphérique.a) Calculer la quantité de chaleur Q1 cédée par les aliments lors de leur passage de 23°C à 0°C juste avant leur congélation.b) A 0°C les aliments se congèlent. La congélation d'un kilogramme d'aliments à 0°C cède une énergie de 250 kJ. Calculer la quantité de chaleur Q2 cédée par les aliments lors du changement d'état à 0°C.c) La quantité de chaleur totale absorbée par l'évaporateur pour congeler ces aliments à ­18°C est Q = 10800kJ. Déterminer alors la quantité de chaleur Q3 cédée par les aliments lors de leur passage de 0°C à ­18°C.d) Calculer la capacité thermique massique des aliments après congélation.e) La puissance thermique absorbée par l'évaporateur est de 500 W. Calculer en heure la durée nécessaire à cette congélation.f) Calculer le pouvoir de congélation du congélateur qui est égal à la masse des aliments congelés en 24 heures ( le pouvoir de congélation s'exprime en kg/24h)Donnée : capacité thermique massique des aliments avant congélation: c = 3350 J.kg­1.°C­1

Exercice 6Une personne veut faire bouillir de l'eau pour préparer une infusion. Pour cela, elle a posée une casserole, contenant 0,5 L d'eau, sur un dfeu de puissance de chauffe P = 1200W. Lorsque l'eau entre en ébullition, elle s'éloigne de la gazinière pour répondre à un appel téléphonique, en laissant le feu allumé, et ne revient pour retirer la casserole du feu que 30 minutes plus tard. Restera t­il encore de l'eau dans la casserole ?Données : Lvap(eau) = 2257 kJ.kg­1 ; ρ(eau) = 1,00 kg.L­1

1) Calculer en kJ la quantité d'énergie Q, apportée à l'eau par le brûleur de gaz durant ces 30 minutes, en supposant que le rendement du chauffage de l'eau est égal à 80%2) Quelle relation peut­on écrire entre la quantité de chaleur Q calculée à la question précédente, la masse d'eau m vaporisée durant ces 30 minutes, et la chaleur latente de vaporisation de l'eau Lvap(eau) ?3) Déduire de la relation la masse d'eau vaporisée.4) Reste­t­il encore de l'eau au fond de la casserole lorsque la personne a terminé de répondre au téléphone ?

Exercice 7L'évaporation de l'eau sur les mers et les océans consomme en moyenne 80 J par mètre carré et par seconde. Cette eau vaporisée monte dans l'atmosphère pour former des nuages.1) Quelle est l'origine de cette énergie ?2) Calculer en kJ la quantité d'énergie annuelle qui contribue au niveau des mers et des océans à l'évaporation de l'eau.Donnée : surface des mers et océans : 360 millions de km2

3) Quel volume d'eau en km3 est vaporisé chaque année à la surface des mers et des océans ?Donnée : Lvap(eau) = 2257 kJ.kg­1 4) La transformation de la vapeur d'eau, lors de la formation des nuages, contribue­t­elle à chauffer ou à refroidir l'atmosphère ?

Exercice 8Une couche de glace d'épaisseur e = 0,2mm couvre la surface S = 0,6 m2 d'un pare­brise d'une voiture.1) Quelle quantité d'énergie ΔE faut­il fournir pour faire fondre toute cette glace sachant que la température de l'air est de 0°C ?2) Que vaut la puissance électrique P que doit fournir une résistance chauffante pour obtenir un dégivrage en 2,5 min ?3) La tension délivrée par la batterie d'une automobile vaut U = 12 V. Calculer la valeur de l'intensité du courant I qui parcourt la résistance chauffante.

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