Énergie vaporisation
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 cette activité, tu vas mesurer cette grandeur expérimentalement en suivant en continu la masse d'eau qui s'évapore pendant l'ébullition, grâce à une mini-balance connectée au boîtier FizziQ Connect. En connaissant la puissance du thermoplongeur et la masse d'eau évaporée, tu pourras calculer L_vap et comparer ton résultat avec la valeur théorique.
Résumé :
L'élève place un calorimètre rempli d'eau bouillante sur une mini-balance reliée au boîtier FizziQ Connect. Un thermoplongeur 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), l'élève détermine l'énergie massique de vaporisation L_vap = E / Δm et la compare avec la valeur théorique de 2,26 × 10⁶ J/kg.
Nível :
Autor:
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Lycée
FizziQ
85
Objectif pédagogique :
- 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 sources d'erreur expérimentales
Concepts scientifiques :
- 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
Capteurs :
- Mini-balance reliée au boîtier FizziQ Connect (mesure de masse en continu)
Matériel :
- Smartphone ou tablette avec FizziQ Connect
- Boîtier M5 Stack avec mini-balance
- Un thermoplongeur (résistance chauffante immergée)
- Un wattmètre (pour mesurer la puissance réelle du thermoplongeur)
- Un calorimètre ou un bécher entouré de papier aluminium
- Un support avec pince pour le thermoplongeur
- Une bouilloire (pour préchauffer l'eau)
- Un chronomètre
Protocole expérimental :
Ouvre l'application FizziQ Connect et sélectionne « External sensors ». Connecte-toi au boîtier M5 Stack et sélectionne la mesure en masse.
Fais bouillir de l'eau dans la bouilloire. Verse l'eau bouillante dans le calorimètre (ou bécher isolé).
Place le calorimètre sur la mini-balance et effectue la tare (remise à zéro).
Place le thermoplongeur dans l'eau, accroché au support à l'aide d'une pince. Le thermoplongeur ne doit pas peser sur la balance (il est tenu par le support).
Branche le wattmètre entre la prise et le thermoplongeur. Note la puissance P affichée (en watts).
Allume le thermoplongeur et attends que l'eau soit en ébullition franche.
Dès que l'ébullition est bien établie, lance l'enregistrement dans FizziQ Connect (REC) et démarre le chronomètre.
Enregistre pendant 15 minutes. La masse doit décroître régulièrement sur l'écran de FizziQ.
Arrête l'enregistrement (STOP). Note la masse d'eau évaporée Δm et la durée totale Δt.
Calcule l'énergie fournie E = P × Δt, puis l'énergie massique de vaporisation L_vap = E / Δm. Compare avec la valeur théorique de 2,26 × 10⁶ J/kg.
Résultats attendus
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 thermoplongeur 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'ordre de grandeur est cependant vérifié.
Questions scientifiques :
- 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 thermoplongeur est réellement utilisée pour la vaporisation ?
Analyse scientifique
L'énergie massique de vaporisation L_vap représente l'énergie nécessaire pour faire passer 1 kg d'un liquide de l'état liquide à l'état gazeux, à la température d'ébullition. Pour l'eau : L_vap = 2,26 × 10⁶ J/kg = 2260 kJ/kg.
Cette valeur est remarquablement élevée comparée à d'autres liquides. Elle s'explique par la nécessité 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 avec ses voisines.
Pendant l'ébullition, la température reste constante à 100°C (à pression atmosphérique normale). Toute l'énergie fournie sert au changement d'état, pas à augmenter la température. C'est un palier de température.
L'énergie fournie par le thermoplongeur se calcule par E = P × Δt, où P est la puissance en watts (mesurée au wattmètre) et Δt la durée en secondes. L'énergie massique de vaporisation est alors L_vap = E / Δm, avec Δm la masse d'eau évaporée.
La valeur expérimentale est généralement surestim ée car une partie de l'énergie du thermoplongeur ne sert pas à vaporiser l'eau : elle est perdue par conduction à travers les parois du calorimètre, par convection de l'air chaud au-dessus du récipient, et par rayonnement thermique.
Le suivi en continu de la masse par la mini-balance FizziQ Connect montre que la masse décroît linéairement avec le temps. Cela confirme que, à puissance constante, la masse d'eau vaporisée est proportionnelle à l'énergie fournie : Δm = E / L_vap = (P / L_vap) × Δt.
Variantes possibles
- 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 fonction de masse évaporée et déterminer L_vap par la pente
FAQ
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: Le thermoplongeur ne doit-il pas reposer sur la balance ?
R: Non, le thermoplongeur 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: Pourquoi utiliser un wattmètre ?
R: La puissance nominale indiquée sur le thermoplongeur 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 pression atmosphérique 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.