Question 1
Énoncé
Dans un calorimètre (récipient adiabatique), on place 50 g d'eau à 20°C, puis on ajoute 50 g d'eau à 70°C. Au bout d'un certain temps, le mélange devient homogène.
Des 2 grandeurs mises en jeu dans cette expérience, la masse m (en g) et la température \(\theta\) (en °C), l'une est intensive, l'autre extensive.
Quelle est la valeur prise par cette grandeur lorsque l'état final du système est obtenu (en °C).
On négligera la capacité calorifique du calorimètre.
Aide simple :
Une grandeur intensive est une grandeur indépendante de la quantité de matière. Elle a la même valeur en tout point d'une phase en équilibre.
Une grandeur est extensive si la valeur qu'elle prend pour un système à l'équilibre est égale à la somme des valeurs qu'elle avait dans chacune des parties constitutives de ce système.
Rappel de cours :
La formule \(Q = c \times m ( \theta_F - \theta_I )\) donne la chaleur échangée (en J) entre un système de masse m (en g) et de capacité calorifique massique c (en J.g-1.K-1) et son environnement lorsque la température de ce système passe d'une valeur initiale \(\theta_I\) à une valeur finale \(\theta_F\) .
Résultat
Correction
Explications
Deux grandeurs sont données : la masse et la température.
La masse est une grandeur extensive. La valeur qu'elle prend dans l'état final est égale à la somme des valeurs des parties initialement séparées du système : 50 g + 50 g = 100 g.
La grandeur intensive dont il faut déterminer la valeur dans l'état final est donc la température. Cette grandeur n'est pas extensive : 50 g d'eau à 20°C + 50 g d'eau à 70°C ne donnent pas 100 g d'eau à 20 + 70 = 90°C !
Comment déterminer la valeur finale de la température ?
Comme la capacité calorifique du calorimètre est négligeable, la quantité d'énergie perdue sous forme de chaleur par la partie "eau chaude" du système est égale à la quantité d'énergie gagnée sous forme de chaleur par la partie "eau froide" du système : l'énergie se conserve (premier principe).
D'où : \(m_{\textrm{eau chaude}} c_{\textrm{eau}} (90 - \theta_F ) = m_{\textrm{eau froide}} c_{\textrm{eau}} ( \theta_F - 20)\) et \(\theta_F\) = 45 °C