CALORI METRI E-

I NTRODUCTI ON AUX METHODES

D’ANALYSE THERMI QUE

Object if s:

- Aperçu de différentes méthodes d’ « analyse thermique »

- Intérêts/Limites de ces méthodes

- Des exemples d’application …

Evaluat ion: incluse dans le QCM du module mét rologie

CALORI METRI E-

I NTRODUCTI ON AUX METHODES

D’ANALYSE THERMI QUE

Plan:

- 1. La calorimét rie « standard » (rappel???)

- 2. Principe général des méthodes d’analyse thermique

- 3. Analyse Calorimét rique Dif f érent ielle (DSC)

- 4. Analyse Thermogravimét rique (ATG)

Calorimét rie :

« ident if icat ion » des quant ités de chaleurassociées à des phénomènes …

le plus souvent de t ransf ormat ion de la mat ière

Applicat ions pr incipales : - mesur e de la quant it é de chaleur associée à une r éact ion chimique ou à une r éact ion physique

- mesur e de capacit és t her miques/ chaleur s spécif iques

1. Calorimét rie « st andard »

Par exemple : evaluat ion d’un PCI …. Comment f eriez- vous ?evaluat ion d’un Cp…. Comment f eriez- vous ?

Principe général d’un calorimèt re:

Le calorimètre « idéal » est un syst ème f er mé et isolé (pas d’échange de chaleur ni de travail avec l’extérieur)

1. Calorimét rie « st andard »

A : cor ps à ét udierB : cor ps « connu »S : enceint e (calor imèt r e)

T

Calorimètre à pression constante : Q(=0) + Wu = H

Calorimètre à volume constant : Q(=0) + Wu = U

Wu = t r avail aut r e que celui des f or ces de pr ession (i.e. t r avail électrique)

Les calorimèt res peuvent êt re:

- adiabat iques : Tparoi asservie à Tcalorimètre

Wu = H

isopériboliques (quasi- adiabat iques) :

Tthermostat asservie à Tcalorimètre

Qfuite + Wu = H

1. Calorimét rie « st andard »

Exemple de calor imèt r es:Bout eille t her mosVase DewarCalor imèt r e de Ber t helotBombe calor imét r ique

Les calorimèt res peuvent êt re:

- a) adiabat iques : Tparoi asservie à Tcalorimètre

Wu = H

- b) isopériboliques (quasi- adiabat iques) :

limitat ion des f uites, Tenvironnement proche de Tcalorimètre

Qfuite + Wu = H

1. Calorimét rie « st andard »

Exemple de calor imèt r es:Bout eille t her mosVase DewarCalor imèt r e de Ber t helotBombe calor imét r ique

Les calorimèt res peuvent êt re:

- adiabat iques : Tparoi asservie à Tcalorimètre

Wu = H

- isopériboliques (quasi- adiabat iques) :

limitat ion des f uites, Tenvironnement proche de Tcalorimètre

Qfuite + Wu = H

1. Calorimét rie « st andard »

Exemple de calor imèt r es:Bout eille t her mosVase DewarCalor imèt r e de Ber t helotBombe calor imét r ique

1. Calorimét rie « st andard »1. Calorimét rie « st andard »

Exemple de calor imèt r es:Bout eille t her mosVase DewarCalor imèt r e de Ber t helotBombe calor imét r ique

Bombes calorimét riques / calor imèt r e à Appor t Elect r iqueEner gie ext ér ieur e appor t ée : éner gie élect r ique

H = Wu = Eelec = Ri2t

1. Calorimét rie « st andard »

1. Calorimét rie « st andard »

Les calorimèt res peuvent êt re:c) - à mesures de f lux

On mesur e le f lux t her mique gr âce à une « t her mopile »

Photos commerciales

Pr incipe de mét hodes de calcul - Mét hode des mélanges :

- a) dét er minat ion de la capacit é t her mique du cuivr e

- b) dét er minat ion d’une chaleur de r éact ion

- c) dét er minat ion d’une chaleur de f usion

- d) dét er minat ion d’une chaleur de combust ion

1. Calorimét rie « st andard »

Exemple : Applicat ion numér ique

T1= 10 °C T2 = 100 °C Teq = 15 °C

a) Calorimét rie: Déterminat ion de la capacité thermique du cuivre

Calor imèt r e = bout eille t her mos de 0,5 L

1) 260 g d’eau dans calor imèt r e; équilibr e t her mique T1

2) I nt r oduct ion échant illon de cuivr e (masse 175,7 g) à T23) Nouvelle t empér at ur e à l’équilibr e : Teq

Exemple : Applicat ion numér ique

T1= 10 °C T2 = 40 °C Teq = 24,25 °C

a) Calorimét rie: Déterminat ion de la capacit é thermique du cuivre

Nécessité de connaît re la valeur en eau du calorimèt re ( )

Calor imèt r e = bout eille t her mos de 0,5 L

1) 200 g d’eau dans calor imèt r e; équilibr e t her mique T1

2) I nt r oduct ion 200 g d’eau chaude à T23) Nouvelle t empér at ur e à l’équilibr e : Teq

a) Calorimét rie: Déterminat ion de la capacité thermique du cuivre

Evolut ion Tempér at ur e du calor imèt r e: cas idéal – cas r éel

temps

Température

Teq

T1

temps

Température

Teq

T1

Estimation d’un terme de perte dans le bilan

Exemple : Applicat ion numér ique

T1= 22,2 °C T2 = 22,3 °C Teq = 34,1 °C

b) Calorimét rie: Déterminat ion de la chaleur de réact ion : réact ion acido- basique

Calor imèt r e (valeur en eau = 88,5 J / K)

1) 200 ml d’une solut ion acide dans calor imèt r e; équilibr e t her mique T1

2) I nt r oduct ion de 200 ml d’une solut ion basique (à T2)3) Nouvelle t empér at ur e à l’équilibr e : Teq

c) Calorimét rie: Déterminat ion d’une chaleur de f usion

Dans un calor imèt r e : -1) masse m1 d’eau à T1-2) int r oduct ion d’une masse m2 de glace à T2 < 0°C

Élévat ion de la t empér at ur e de glace et f usion …

Q1 = m2 Cg (0 - T2) + L + m2 Ce (Te – 0)

Chaleur per due par l’eau …

Q2 = m1 Ce (Te – T1) Q1 + Q2 = 0

d) Calorimét rie: Dét er minat ion d’une chaleur de combust ion dans une bombe calor imét r ique. Cas d’un combust ible liquide

Syst ème ét udié : O2 + combust ible (m gr ammes)Calor imèt r e : Bombe + eau (M gr ammes)

Q(comb) : chaleur mise en j eu pour m gr amme de pr oduit à volume const ant (Qv) (Var iat ion d’éner gie int er ne).

Qp ˜ Qv + ? n(gaz)RT

On peut en déduir e la chaleur de combust ion à pr ession const ant e (Qp) (Var iat ion d’ent halpie) :

Mise à f eu de la r éact ion ….

A l’équilibr e:

d) Calorimét rie: Dét er minat ion d’une chaleur de combust ion dans une bombe calor imét r ique. Cas d’un combust ible liquide

Bombe : O2 + combust ible (m gr ammes)Calor imèt r e : Bombe + eau (M gr ammes)

Q(comb) : chaleur mise en j eu pour m gr amme de pr oduit à volume const ant (Qv) (Var iat ion d’éner gie int er ne).

Qp ˜ Qv + ? n(gaz)RT

On peut en déduir e la chaleur de combust ion à pr ession const ant e (Qp) (Var iat ion d’ent halpie) :

Mise à f eu de la r éact ion ….

A l’équilibr e:

CALORI METRI E-

I NTRODUCTI ON AUX METHODES

D’ANALYSE THERMI QUE

Plan:

- 1. La calorimét rie « standard » (rappel?)

- 2. Principe Général des méthodes d’analyse thermique

- 3. Analyse Calorimét rique Dif f érent ielle (ACD ou DSC)

- 4. Analyse Thermogravimét rique (ATG)

L’analyse t her mique désigne t out e t echnique de mesur es où le changement d’une propriété d’un échant illon est lié à une variat ion de température imposée

Dans la pr at ique, on peut dist inguer : • les cas où est enr egist r ée une gr andeur suit e à une évolut ion imposée de la t empér at ur e au cour s du t emps (échelons, r ampes, sinusoïdes, et c…)• les cas où une t empér at ur e const ant e est imposée

2. Principe des méthodes d’analyse thermique

Ef f et s de la t empér at ur e sur la mat ièr e

Propriété mesurée Technique

Chaleur Analyse calorimétrique Différentielle à Balayage (DSC)

Dif f ér ence de Tempér at ur e Analyse Thermique Différentielle (ATD)

Masse Analyse Thermogravimétrique (ATG)

Dimension Analyse Thermomécanique (ATM)

2. Principe des méthodes d’analyse thermique

Par exemple …

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I NTRODUCTI ON AUX METHODES

D’ANALYSE THERMI QUE

Plan:

- 1. La calorimét rie « standard » (rappel?)

- 2. Principe Général des méthodes d’analyse thermique

- 3. Analyse Calorimét rique Dif f érent ielle (DSC)

- 4. Analyse Thermogravimét rique (ATG)

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