Energía de vaporización
Energía de vaporización
Déterminer l'énergie massique de vaporisation de l'eau en suivant en continu la masse d'eau qui s'évapore lors de l'ébullition avec une mini-balance FizziQ Connect.
Pourquoi faut-il tant d'énergie pour faire bouillir de l'eau ? Quand l'eau atteint 100°C, sa température cesse d'augmenter malgré l'apport continu de chaleur : toute l'énergie fournie sert à briser les liaisons hydrogène entre les molécules pour les faire passer de l'état liquide à l'état gazeux. Cette énergie, appelée énergie massique de vaporisation (L_vap), vaut théoriquement 2,26 × 10⁶ J/kg pour l'eau pure. Dans esta actividad, tu vas mesurer cette grandeur expérimentalement en suivant en continu la masse d'eau qui s'évapore pendant l'ébullition, gracias a une mini-balance connectée au boîtier FizziQ Connect. En connaissant la puissance du termosumergidor et la masse d'eau évaporée, tu pourras calculer L_vap et comparer ton résultat avec la valeur théorique.
Descripción de la actividad:
El alumno coloca un calorimètre rempli d'eau bouillante sur une mini-balance reliée au boîtier FizziQ Connect. Un termosumergidor de puissance connue maintient l'ébullition. FizziQ enregistre en continu la masse d'eau restante. La décroissance linéaire de la masse montre que la vitesse d'évaporation est constante. En calculant l'énergie fournie (E = P × Δt) et la masse évaporée (Δm), el alumno détermine l'énergie massique de vaporisation L_vap = E / Δm et la compare avec la valeur théorique de 2,26 × 10⁶ J/kg.
FizziQ
Autor:
Duración:
85
Lo que harán los estudiantes:
'- Exploiter la relation entre énergie transférée et énergie massique de changement d'état
- Mesurer en continu la masse d'un système avec une balance connectée
- Calculer une énergie à partir d'une puissance et d'une durée (E = P × Δt)
- Déterminer expérimentalement l'énergie massique de vaporisation de l'eau
- Identifier et discuter les fuentes de error expérimentales
Conceptos científicos:
'- Énergie massique de vaporisation (L_vap)
- Changement d'état (vaporisation)
- Ébullition et température de changement d'état
- Puissance et énergie (E = P × Δt)
- Liaison hydrogène
- Pertes thermiques et rendement
Sensores:
'- Mini-balance reliée au boîtier FizziQ Connect (mesure de masse en continu)
Material necesario:
'- Smartphone o tableta con FizziQ Connect
- Boîtier M5 Stack avec mini-balance
- Un termosumergidor (résistance chauffante immergée)
- Un wattmètre (pour mesurer la puissance réelle du termosumergidor)
- Un calorimètre ou un bécher entouré de papier aluminium
- Un support avec pince pour le termosumergidor
- Une bouilloire (pour préchauffer l'eau)
- Un cronómetro
Procedimiento experimental:
Abre la aplicación FizziQ Connect y selecciona « External sensors ». Connecte-toi au boîtier M5 Stack y selecciona la mide en masse.
Fais bouillir de l'eau en la bouilloire. Verse l'eau bouillante en le calorimètre (ou bécher isolé).
Coloca le calorimètre sobre la mini-balance y effectue la tare (remise à zéro).
Coloca le thermoplongeur en l'eau, accroché au support à l'aide de una pince. Le thermoplongeur ne doit pas peser sobre la balance (il es tenu par le support).
Conecta le wattmètre entre la prise y le thermoplongeur. Note la puissance P affichée (en watts).
Enciende le thermoplongeur y attends que l'eau soit en ébullition franche.
Dès que l'ébullition es bien établie, lance l'registrament en FizziQ Connect (REC) y démarre le chronomètre.
Registra pendant 15 minutes. La masse doit décroître régulièrement sobre l'écran de FizziQ.
Detén el registro (STOP). Note la masa d'eau évaporée Δm y la durée totale Δt.
Calcula l'énergie fournie E = P × Δt, puis l'énergie massique de vaporisation L_vap = E / Δm. Compara con la valeur théorique de 2,26 × 10⁶ J/kg.
Resultados esperados:
La masse décroît linéairement au cours du temps, confirmant que le débit d'évaporation est constant lorsque la puissance de chauffage est constante. Sur une durée typique de 240 secondes avec un termosumergidor de 327 W, on mesure environ 10 g d'eau évaporée. Le calcul donne L_vap = E / Δm = (327 × 240) / 0,010 ≈ 7,85 × 10⁶ J/kg. La valeur expérimentale est généralement supérieure à la valeur théorique (2,26 × 10⁶ J/kg) car une partie de l'énergie est perdue par conduction à travers les parois, par convection au-dessus du calorimètre, et par rayonnement. L'orden de magnitud est cependant vérifié.
Preguntas científicas:
'- Pourquoi la température de l'eau reste-t-elle constante pendant l'ébullition alors qu'on continue de la chauffer ?
- Comment expliquer que la valeur expérimentale de L_vap soit supérieure à la valeur théorique ?
- Pourquoi l'énergie massique de vaporisation de l'eau est-elle beaucoup plus élevée que celle de l'éthanol ?
- Comment pourrait-on réduire les pertes thermiques pour obtenir un résultat plus proche de la théorie ?
- Quelle fraction de l'énergie fournie par le termosumergidor est réellement utilisée pour la vaporisation ?
Explicaciones científicas:
L'énergie massique de vaporisation L_vap représente l'énergie nécessaire para faire passer 1 kg de un liquide de l'état liquide à l'état gazeux, à la temperatura d'ébullition. Pour l'eau : L_vap = 2,26 × 10⁶ J/kg = 2260 kJ/kg.
Cette valeur es remarquablement élevée comparée à d'autres liquides. Elle s'explique par la nécessit é de briser les liaisons hydrogène qui relient fortement les molécules d'eau entre elles. Chaque molécule d'eau peut former jusqu'à 4 liaisons hydrogène con ses voisines.
Pendant l'ébullition, la temperatura reste constante à 100°C (à presión atmosférica normale). Toute l'énergie fournie sert au changement d'état, pas à augmenter la temperatura. C'est un palier de température.
L'énergie fournie par le thermoplongeur se calcula par E = P × Δt, où P es la puissance en watts (mesurée au wattmètre) y Δt la durée en secondes. L'énergie massique de vaporisation es alors L_vap = E / Δm, con Δm la masa d'eau évaporée.
La valeur expérimentale es généralement surestimée car une partie de l'énergie du thermoplongeur ne sert pas à vaporiser l'eau : elle es perdue par conduction à travers les parois du calorimètre, par convection de l'air chaud au-dessus du récipient, y par rayonnement thermique.
Le suivi en continu de la masa par la mini-balance FizziQ Connect montre que la masa décroît linéairement con le temps. Cela confirme que, à puissance constante, la masa d'eau vaporisée es proporcionalle à l'énergie fournie : Δm = E / L_vap = (P / L_vap) × Δt.
Actividades de ampliación:
'- Comparer l'énergie de vaporisation de l'eau pure et de l'eau salée
- Réaliser l'expérience avec un couvercle percé pour limiter les pertes par convection et observer l'amélioration du résultat
- Mesurer l'énergie de vaporisation de l'éthanol (L_vap = 846 kJ/kg) avec le même protocole
- Calculer l'écart-type des valeurs obtenues par les différents binômes de la classe
- Tracer le graphique énergie fournie en función de masse évaporée et déterminer L_vap par la pente
Preguntas frecuentes:
Q: ¿La masse affichée fluctue beaucoup pendant l'ébullition.
R: C'est normal, les bulles d'ébullition et les projections créent des oscillations de masse. La tendance globale de décroissance linéaire est ce qui compte. Tu peux lisser les données ou utiliser les valeurs aux extrémités de la période d'enregistrement.
Q: ¿El termosumergidor ne doit-il pas reposer sur la balance ?
R: Non, le termosumergidor doit être tenu par un support indépendant (pince sur tige) et ne pas peser sur la balance. Seul le calorimètre et l'eau sont sur la balance, sinon la mesure de masse est faussée.
Q: ¿Por qué utiliser un wattmètre ?
R: La puissance nominale indiquée sur le termosumergidor n'est qu'approximative. Le wattmètre mesure la puissance réelle consommée, ce qui améliore la précision du calcul E = P × Δt.
Q: L'eau ne bout pas exactement à 100°C.
R: La température d'ébullition dépend de la presión atmosférica locale. En altitude, elle est inférieure à 100°C. Cela n'affecte pas significativement la mesure de L_vap car c'est la masse évaporée qui est mesurée, pas la température.