Chauffage isochore : montée en pression à volume constant
1 · Prédire
Un gaz est chauffé dans un récipient rigide et scellé, son volume ne peut donc pas changer (isochorique). Puisque le gaz ne peut pas se dilater, où va toute la chaleur ajoutée ?
- Toute la chaleur va en énergie interne, puisqu’aucun travail ne s’effectue à volume constant.
- La majeure partie de la chaleur devient du travail même si le récipient est rigide.
- La chaleur se répartit uniformément entre le travail et l’énergie interne, tout comme les autres processus.
2 · Configurer
- Ouvrez le préréglage « échauffement isochore » et appuyez sur Réinitialiser. 1 mole de gaz est scellée à 0.0249 m³, en partant de 300 K.
- Activez les lectures de pression et de chaleur ajoutée.
- Réglez la température cible (finale) pour chaque essai et enregistrez la pression finale et la chaleur ajoutée.
3 · Collecter les Données
| Température finale T₂ (K) | Pression finale P₂ (kPa) | Chaleur ajoutée Q (J) |
|---|---|---|
| 350.00 | ||
| 450.00 | ||
| 550.00 |
Tracez la chaleur ajoutée Q (axe y) par rapport à la température finale T₂ (axe x) pour vos trois essais.
4 · Analyser
- Pour un essai, calculez P₂ = nRT₂/V en utilisant n = 1 mol, V = 0.0249 m³, puis Q = (f/2)nR(T₂ − T₁) en utilisant f = 3, T₁ = 300 K. Comparez les deux au tableau.
- Puisque le gaz ne peut pas se dilater (W_gas = 0), la première loi donne Q = ΔU exactement. Expliquez pourquoi chaque joule de chaleur ajoutée apparaît ici entièrement sous forme d'énergie interne, contrairement à l'expérience de chauffage isobare.
5 · Approfondir
- Votre relation P₂-vs-T₂ est la loi de Gay-Lussac : à volume constant, la pression est directement proportionnelle à la température absolue. Expliquez pourquoi cela découle de PV = nRT lorsque V est fixe.
- Un autocuiseur scellé chauffe les aliments plus rapidement, en partie parce que la vapeur emprisonnée ne peut pas se dilater, donc la pression (et la température) s'élèvent bien au-dessus de 100°C. Utilisez la relation de cette expérience pour expliquer pourquoi un récipient rigide scellé permet à la température de grimper plus haut pour le même apport de chaleur qu'un récipient ouvert.
La physique derrière cette expérience
Chauffage isochore et énergie interne
À volume constant, un gaz ne fonctionne pas (W_gas = 0), donc chaque joule de chaleur ajoutée va directement en énergie interne : Q = ΔU = (f/2)nRΔT.