Introduction à la Chimie

Termes

• calorimètre à tasse à caféun exemple de calorimètre à pression constante.
• Adiabatique ne permettant aucun transfert d’énergie thermique; parfaitement isolant.
• la température calorique à pression constante mesure le changement d’enthalpie d’une réaction se produisant en solution, pendant laquelle la pression reste constante.

Calorimétrie à pression constante

Un calorimètre à pression constante mesure le changement d’enthalpie d’une réaction se produisant dans une solution liquide. Dans ce cas, la pression gazeuse au-dessus de la solution reste constante, et on dit que la réaction se produit dans des conditions de pression constante. La chaleur transférée vers/depuis la solution pour que la réaction se produise est égale à la variation d’enthalpie (\Delta H = q_P), et un calorimètre à pression constante mesure ainsi cette chaleur de réaction. En revanche, le volume d’un calorimètre à bombe est constant, il n’y a donc pas de travail pression-volume et la chaleur mesurée est liée à la variation de l’énergie interne (\Delta U = q_V).

Un exemple simple de calorimètre à pression constante est un calorimètre à tasse à café, qui est construit à partir de deux tasses en polystyrène imbriquées et d’un couvercle à deux trous, ce qui permet l’insertion d’un thermomètre et d’une tige d’agitation. La coupelle intérieure contient une quantité connue d’un liquide, généralement de l’eau, qui absorbe la chaleur de la réaction. La coupelle extérieure est supposée être parfaitement adiabatique, ce qui signifie qu’elle n’absorbe aucune chaleur. En tant que tel, la coupelle extérieure est supposée être un isolant parfait.

Calcul de la chaleur spécifique

Les données recueillies lors d’une expérience de calorimétrie à pression constante peuvent être utilisées pour calculer la capacité thermique d’une substance inconnue. Nous connaissons déjà notre équation reliant la chaleur (q), la capacité thermique spécifique (C) et le changement de température observé (\Delta T):

q = mC \ Delta T

Nous allons maintenant illustrer comment utiliser cette équation pour calculer la capacité thermique spécifique d’une substance.

Exemple 1

Un élève chauffe un échantillon de 5,0 g d’un métal inconnu à une température de 207 ^\circC, puis dépose l’échantillon dans un calorimètre à tasse de café contenant 36,0 g d’eau à 25,0^\circC. Une fois l’équilibre thermique établi, la température finale de l’eau dans le calorimètre est de 26.0 ^\circC. Quelle est la chaleur spécifique du métal inconnu? (La chaleur spécifique de l’eau est de 4,18\frac{J}{g^\circ C})

Les parois du calorimètre à tasse à café sont supposées parfaitement adiabatiques, nous pouvons donc supposer que toute la chaleur du métal a été transférée à l’eau:

– q_{metal} = q_{water}

En remplaçant dans notre équation ci-dessus, nous obtenons:

– m_{metal}C_{metal}\Delta T_{metal} = m_{water} C_{water}\Delta T_{water}

Alors nous pouvons brancher nos valeurs connues:

-(5.0\; g) C_ {métal}(26,0^\circ C-207 ^\circ C) =(36,0\; g)(4,18\; \frac{J}{g^\circ C}) (26.0^\circ C-25.0^\circ C)

En résolvant pour C_{metal}, on obtient

C_{metal} = 0,166\;\frac{J}{g^\circ C}

La capacité thermique spécifique du métal inconnu est de 0,166\frac {J} {g^\circ C}.

Exemple 2

Pour déterminer l’enthalpie standard de la réaction H + (aq) + OH–(aq) → H2O(l), des volumes égaux de solutions 0,1 M de HCl et de NaOH peuvent être combinés initialement à 25°C.

Ce processus est exothermique et de ce fait, une certaine quantité de chaleur qP sera libérée dans la solution. Le nombre de joules de chaleur libérés dans chaque gramme de solution est calculé à partir du produit de l’élévation de température et de la capacité calorifique spécifique de l’eau (en supposant que la solution soit suffisamment diluée pour que sa capacité calorifique spécifique soit la même que celle de l’eau pure). La quantité totale de chaleur transférée peut alors être calculée en multipliant le résultat par la masse de la solution.

\Delta H = q_P=m_{sol’n} C_{water}\Delta T_{sol’n}

Notez que ΔH = qP car le procédé est effectué à pression constante.