Équilibre thermique – plonger un objet chaud dans l'eau

Ce qu’elle montre

Lorsqu'un objet chaud est plongé dans de l'eau plus froide à l'intérieur d'un calorimètre isolé, de l'énergie est transférée thermiquement du corps le plus chaud vers le plus froid jusqu'à ce que les deux atteignent la même température. Sans pertes, la chaleur cédée est égale à la chaleur reçue et chaque corps vérifie Q = mcΔT : la température finale est une moyenne pondérée, plus proche de celle du corps ayant la plus grande capacité thermique mc. Si l'objet est de la glace à 0 °C, l'énergie sert d'abord à la faire fondre, Q = mλ, où λ est la chaleur latente de fusion, sans que sa température augmente.

Mode d’emploi

Avec l'objet en aluminium à 100 °C et l'eau à 20 °C proposés par défaut, prévoyez la température d'équilibre à l'aide du bilan thermique, puis observez le graphique T(t). Remplacez le Matériau de l'objet 1 par du cuivre ou du fer avec les mêmes masses et températures pour voir l'effet de la capacité thermique massique. Choisissez ensuite la glace à 0 °C et repérez le palier de sa courbe pendant la fusion. Faire varier la Masse d'eau montre qu'une masse plus grande limite la variation de température.

Paramètres modifiables

• Masse de l'objet 1 0,1–5 kg
• Matériau de l'objet 1 Aluminium (c = 880 J/kg·K), Cuivre (c = 380 J/kg·K), Fer (c = 460 J/kg·K), Eau (c = 4 200 J/kg·K), Glace à 0 °C (λ = 334 kJ/kg)
• Température initiale de l'objet 1 0–100 °C
• Masse d'eau 0,1–5 kg
• Température initiale de l'eau 0–100 °C

Questions à explorer

1. Pourquoi la température d'équilibre est-elle beaucoup plus proche de la température initiale de l'eau quand l'objet 1 est un métal ?
2. À masse et température initiale égales, le cuivre ou l'aluminium réchauffe-t-il davantage l'eau, et pourquoi ?
3. Que révèle le palier à 0 °C de la courbe de la glace sur l'utilisation de l'énergie reçue ?