Dans cette leçon, André [INAUDIBLE] vous a introduit la notion de pression hydrostatique. Alors, j'aimerais vous faire une petite expérience pour illustrer ce concept. J'aimerais profiter de cette leçon pour vous montrer des expériences relatives à des coefficients calorimétriques et chaleur latente de fusion. Et on verra une mesure de la chaleur latente de fusion de la glace, et la chaleur latente de vaporisation. On fera une mesure pour la chaleur de vaporisation de l'eau. Et en vue de la préparation à la prochaine leçon, j'aimerais vous montrer une expérience par laquelle on fait un processus sur un gaz, enfin une série de processus sur un gaz. C'est une expérience qui est connue comme l'expérience de Clément-Desormes. Commençons avec la pression hydrostatique. Il semble que certains étudiants soient surpris à l'idée que la pression hydrostatique est la même dans toutes les directions. Donc, voici une petite expérience pour vérifier, avec un capteur de pression, que la pression est bien la même en un point d'un fluide, quelle que soit la direction du capteur. Observons. Voici le capteur, qui mesure en ce moment la pression atmosphérique. On l'immerge. On observe une pression plus élevée. Et le préparateur change la direction du capteur, et on constate que la pression est la même. Maintenant, nous allons immerger un flotteur en tirant avec une ficelle sur le flotteur pour qu'il reste au fond de l'eau. On va mesurer la force qu'il faut appliquer sur la ficelle et on va aussi mesurer la pression sur la face supérieure et la face inférieure de ce flotteur. Regardons la vidéo. Voici le dispositif. On tire sur la ficelle. Vous voyez sur l'écran de l'ordinateur la force, 1,8 N approximativement. Et maintenant le préparateur va immerger le capteur de pression d'abord au niveau de la face supérieure. Il va faire un zéro de la mesure, qu'on puisse facilement lire la différence de pression entre la partie supérieure et la partie inférieure de ce flotteur. Voilà . Et on note la différence de pression entre le haut et le bas du flotteur. Ensuite, le préparateur va placer le flotteur plus bas dans le récipient. Comme ceci. [AUDIO_VIDE] Il faut attendre que le système s'équilibre. On obtient la même force sur la ficelle. On va à nouveau mesurer la différence de pression. Alors, évidemment la pression absolue est plus grande, mais... On fait un zéro de la pression. Vous allez voir que la différence de pression entre le haut et le bas du flotteur reste la même. Voici un résumé des mesures faites par le préparateur. On a un volume du flotteur qui est de 230 cm³. De là , on peut déduire la poussée d'Archimède, qui est égale au poids du volume déplacé. Ça fait environ 2,3 N. Comme on a une boîte qui fait un poids d'à peu près 0,5 N, on a une force résultante, qui est donc la force qu'il faut appliquer sur la ficelle, qui vaut 1,8 N. Ça correspond bien à ce qu'on a mesuré vu les incertitudes sur la mesure. La surface de la boîte vaut 28 cm². La surface de la face supérieure ou de la face inférieure de la boîte, c'est environ 28 cm². La force associée à la pression hydrostatique, c'est la surface fois la pression. Et vous avez donc une force résultante due à la différence de pression hydrostatique entre le haut et le bas du flotteur qui est donnée par la formule que j'ai indiquée. Et cela nous donne une valeur de 2,1 N. Vu les erreurs de mesure, c'est assez voisin, suffisamment proche de la valeur estimée pour la poussée d'Archimède. Je passe maintenant à des mesures de chaleur latente. On va commencer par la chaleur latente de la glace, enfin de la fusion de la glace. Dans cette expérience, on fait la chose suivante. On mélange 500 ml d'eau à température ambiante, avec 50 g de glace à zéro degré. On met l'eau et la glace dans un calorimètre. On brasse et on attend et on détermine la température d'équilibre du système, du mélange. On trouve à peu près 14°C. Comment analyser cette expérience? Je commence par rappeler les données expérimentales. On 500 g d'eau à 22°C, 50 g de glace à 0°C et on observe que le mélange atteint une température de 14°C. On va considérer que le calorimètre est un système isolé. Donc, je peux écrire que son énergie interne ne change pas dans le temps. Maintenant, on a un transfert thermique. Je vais considérer qu'on a deux sous-systèmes. Un, c'est les 500 ml d'eau, l'autre, c'est les 50 g de glace. Ça c'est mon système 1 et mon système 2. On a donc un transfert thermique du sous-système 2 sur le sous-système 1 et du sous-système 1 sur le sous-système 2. Pour le transfert de 2 à 1, on a tout simplement une expression de la puissance thermique en termes c eau, c'est la chaleur spécifique de l'eau. Et ici, j'ai des chaleurs spécifiques par unité de masse et m 1, c'est la masse de l'eau. Pour l'action de 1 sur 2, donc l'action de l'eau sur la glace, il faut faire attention. Il se passe deux choses. D'abord, la glace à zéro degré fond. Donc, mon P Q contient ici la dérivée de la masse du sous-système 2 par rapport au temps fois la chaleur latente de fusion de la glace par unité de masse. Et puis on a après l'eau à 0°C qui change de température. On a donc l'expression suivante pour le P Q qui contient encore une fois la chaleur spécifique de l'eau et la masse de glace transformée en eau à une température T2. On intègre. J'appelle T1 la température initiale des 500 ml d'eau. J'appelle Tc la température de fusion de la glace. J'appelle Tf la température finale du mélange. Et j'ai l'intégrale que voici. Je réarrange les termes et j'ai donc une expression de la chaleur latente de fusion de la glace par unité de masse qui est donnée par cette expression. Si je fais une application numérique, je trouve 276 J, la valeur tabulée est de 333 J. Encore une fois, cette mesure-là n'avait pour but d'être une mesure très précise, mais plutôt d'illustrer les concepts de calorimétrie. Je passe maintenant à la chaleur latente de vaporisation de l'eau. Observons la vidéo. Pour faire cette mesure, on a mis de l'eau dans un calorimètre posé sur une balance. On applique 500 W à l'eau, on fait un transfert thermique de 500 W, pas exactement, 455 W, quand on fait la mesure précise. Et, avec le temps l'eau s'évapore ce qu'on détecte avec la balance. Je vous donne le résultat final de cette mesure. Voici les données expérimentales. On a 450 watts, 455 watts appliquées pendant 120 secondes, et on a évaporé 21 grammes d'eau. On en déduit une chaleur latente d'évaporation de 2,6 kilojoules par grammes. La valeur tabulée est de 2,2 kilojoules par grammes. Encore une fois, on n'a pas cherché à faire une mesure très précise ici. Je passe maintenant à une expérience où on fait plusieurs processus sur un gaz. Je le fais ici en prévision de la leçon suivante sur les machines thermiques. Je vous propose de regarder ce qu'a fait le préparateur, et ensuite, nous allons chercher à modéliser l'expérience. Cette expérience est connue comme étant la méthode de Clément-Desormes pour mesurer le coefficient gamma d'un gaz. Observons la vidéo. Vous avez un grand ballon qui contient de l'air à température ambiante et pression atmosphérique. Il y a aussi une seringue qui est connectée au système. Maintenant, on ferme le système. Et lentement, le préparateur envoie le gaz qui est dans la seringue, dans le ballon. Et il observe la pression de l'ai dans le ballon à l'équilibre comme ceci. Maintenant, le préparateur va chercher à faire un processus rapide qui ramène la pression à la pression initiale. Il va tirer sur la seringue d'un coup sec, comme ceci. Ensuite, il attend. Il ne touche plus la seringue et il attend. Et ça va lui donner une deuxième pression lorsque le système a atteint l'équilibre. Voici la deuxième pression. Avec ces deux valeurs de pression, il fait le calcul suivant pour estimer le gamma. C'est la méthode dite de Clément-Desormes pour mesurer le gamma d'un gaz. Il s'agit pour nous maintenant de modéliser ce qu'a fait le préparateur. Je vous invite à faire une pause, et essayer de décrire précisément les processus qui représentent ce que le préparateur à fait. Alors que s'est-il passé? Il y avait trois processus. Dans le premier, on a comprimé le gaz très lentement, ce qui donnait le temps au gaz de s'équilibrer avec le bain thermique, c'est-à -dire la température ambiante. On avait donc une compression isotherme. Ensuite, le préparateur a tiré rapidement sur la seringue et il a donc fait quelque chose qui s'approche d'une détente adiabatique, et vous noterez qu'il l'a fait jusqu'à ce que la pression revienne à la pression atmosphérique. Ensuite, le préparateur a laissé le système à lui-même. Donc le volume était constant, et il y avait un échange de chaleur avec l'air ambiant. On avait donc un processus isochore. Si on fait l'analyse de ces trois processus, le premier va définir une pression P1, le deuxième, un volume V particulier, et le troisième processus donne une pression P2. On peut écrire que ces pressions, c'est des variations petites par rapport à la pression atmosphérique, et si on fait les calculs, on trouve que le rapport comme l'a calculé le préparateur vaut le gamma du gaz. Pour se faire, on utilise notamment le fait que pression fois volume à la puissance gamma est une constante dans une détente adiabatique. En résumé, dans cette leçon, on a vu une petite expérience sur la notion de pression hydrostatique. Ensuite, on a mesuré des chaleurs latentes, chaleurs latentes de fusion de la glace, chaleur latente de vaporisation de l'eau. Et pour terminer, je vous ai montré l'expérience de Clément-Desormes. Je vous remercie de votre attention.
