Exercice #2 : Déterminer la chaleur latente de la glace

Energie perdue, Energie reçue et chaleur latente de fusion

Aujourd'hui nous allons parler des échanges d'énergie entre l'eau et la glace. Pour résumer, vous allez comprendre pourquoi vos glaçons fondent dans votre verre de Coca Cola ☺.

Je vous ai donc préparé (avec amour) un petit exercice corrigé et en récompense une fiche de révision ! Je vais également vous (re)montrer comment s'en sortir dans le cas d'un catastrophique oublie de formule...

A ce sujet, vous pouvez me lire par ici pour connaitre encore plus en détail mon petit secret ☺

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Revenons-en à nos glaçons et voici l'énoncé de l'exercice :

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On ne perd pas les bonnes habitudes, comme en maths, il faut ESSAYER ! Ne vous précipitez pas sur la correction, je veux d'abord voir vos jeunes neurones en action. Je suis sure que vous pouvez écrire quelques lignes intéressantes, sure et certaine ! ☺

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C'est partie pour la correction. Pour avoir été à votre place, je sais que les exercices de Physique Chimie sont souvent longs, denses et ont très vite tendance à nous faire paniquer ! Je sais. C'est pour ça que mon premier conseil est de dessiner. J'entends déjà les moins artistes d'entre vous me dire "je suis nul en dessin". Alors premièrement arrêtez avec le mot nul et deuxièmement pas besoin d'être Picasso, un simple schéma ou même quelques gribouillis sur le brouillon feront très bien l'affaire. 

Alors voici donc la traduction de l'énoncé : 

Pour répondre à la première question il faut connaître une formule importante. Admettons que vous l'ayez oubliée... M**** !

Pas de panique ! La première chose à faire est de repérer les données de l'énoncé. Ici on vous donne la capacité thermique de l'eau en J.g-1°C-1 (ou en J/g.°C c'est la même chose). Pour ceux qui se le demandent c'est la quantité d'énergie qu'il faut fournir pour faire augmenter d'un degré la température d'un gramme d'eau. 

Vous, vous cherchez une énergie en joule, et bien regardez ↴

Vous avez donc la formule à utiliser sour les yeux : ❤Q = C ✕ m ✕ △T
L'étude des unités peut ainsi vous aider à retrouver la mémoire ou à vérifier vos capacités d'apprentissage. 
Vous avez alors tout ce qu'il faut pour déterminer la quantité d'énergie perdue par l'eau : la capacité thermique, la masse d'eau et les températures Ti et Tf. Le i dans Ti signifie initiale et le f dans Tf finale. On calcul toujours le △T en écrivant Tf - Ti ❤. Si vous inversez et faites Ti - Tf, vous trouverez la bonne valeur mais commettrez une erreur de signe. Vous allez me dire : "voilà encore un truc à retenir par coeur...". Et je vous réponds : "ce n'est pas grave si vous l'oubliez !". Il suffit de faire le calcul. On met ensuite un moins s'il s'agit d'une énergie perdue et un plus si on parle d'une énergie reçue !❤ 

1) Réponse : Qe = -7015,38 J 

Pour la question suivante, il faut savoir qu'en chimie un principe prévaut : "rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme" (Antoine Lavoisier, Chimiste Français, Cocorico !).
Autrement dit l'énergie cédée par l'eau ne disparait pas comme par magie. Il faut qu'elle aille quelque part et tout ce dont elle dispose à proximité sont... les glaçons ! Ainsi, en considérant qu'il n'y ait aucune perte, toute l'énergie perdue par l'eau est reçue par les glaçons. Il suffit de reprendre la valeur calculée précédemment, de lui mettre un petit plus devant et le tour est joué. 

Les barres encadrant Qg et Qe sont là pour signifier que les deux énergies ont la même valeur, 7015,83, mais pas forcément le même signe. On parle de valeur absolue. 

2) Réponse : Qg = +7015,38 J 

Poursuivons. Lorsque les glaçons sont placés dans l'eau, ils vont fondre. C'est relativement logique à imaginer. L'eau de fonte est initialement proche de 0°C (température de la glace). Elle va ensuite se réchauffer petit à petit jusqu'à la température finale Tf.  
Nous allons ainsi utiliser la même formule que pour la question 1 en prenant en compte cette fois ci la masse des glaçons et leur température initiale. 

3) Réponse : Qréch = +1047,01 J 

La question suivante demande un peu de réflexion, mais promis ce n'est rien d'insurmontable. Il faut se représenter les différentes étapes. Pour stimuler votre imagination, voici une petite animation.

Nous avons vu ensemble que l'énergie perdue par l'eau est reçue par les glaçons. La question est de savoir comment est utilisée cette énergie ? Une partie sert à la transformation des glaçons et l'autre partie réchauffe l'eau de fonte. Autrement dit, l'énergie reçue par les glaçons est égale à l'énergie utilisée pour le changement d'état plus l'énergie utile pour réchauffer l'eau fondue. 

4) Réponse : Qtrans = +5968,37 J 

Tenez bon, nous avons fait le plus dur ! Il ne reste qu'à determiner la chaleur latente de fusion de la glace, Lg. Késako ? Exprimée en kJ/g, c'est l'énergie nécessaire pour faire fondre un gramme de glace.

Nous allons donc réutiliser la dernière valeur d'énergie calculée, celle qui concernait le changement d'état des glaçons. 

5) Réponse : Lg = 0,30 kJ/g

Le seul piège dans ce calcul sont les unités. On part avec des joules et on veut obtenir des kJ/g. Attention, donc !

La valeur de Lg est fixe. Elle ne varie pas. C'est toujours la même. Il faut toujours 0,30 kJ pour faire fondre un gramme de glace. Enfin, pour être précis, il faut 0,33 kJ. 0,33 kJ/g est la valeur exacte de la chaleur latente de fusion de la glace. Le léger écart avec notre valeur calculée provient certainement des petites imprécisions de manipulations (par exemple, le glaçon peut avoir commencé à fondre avant d'être introduit dans le calorimètre).  

Et bien voilà, nous avons fini et réussi ! Chose promise, chose due, vous trouverez pour terminer la fiche de révision. Il ne me reste plus qu'à vous encourager à me laisser un commentaire en cas d'incompréhension, de doutes ou de questions. Je vous promets de vous répondre aussi vite que possible ! ☺ 

Bravo et à bientôt !