Coll̬ge de Saussure РGroupe de physique

Mots clés | chaleur | conversion unité | équivalent | frottement | transformation | Travail mécanique

Etude de la transformation par frottement d’un travail mécanique en chaleur et détermination de la chaleur massique d’un corps en laiton.  Le dispositif se compose d’un cylindrique en laiton fixé sur un axe que l’on peut faire tourner avec une manivelle. On enroule autour du cylindre 3 tours de ficelle au bout de laquelle se trouve suspendu une  masse. Lorsqu’ on tourne la manivelle, la ficelle glisse sur le cylindre et grâce au frottement, la masse est très légèrement soulevée et ensuite maintenu en équilibre statique durant la rotation. Le travail effectué se transforme en chaleur par l’intermédiaire du frottement. Comme la force de frottement compense la force poids, la masse reste immobile à l’équilibre et de ce fait, le travail de la force de frottement correspond donc au travail de la force poids qui s’applique tangentiellement à la surface du cylindre, le point d’application de la force glissant sur la circonférence du cylindre.  Un thermomètre est fixé sur l’axe du cylindre et permet de mesurer l’élévation de température de ce dernier. Le principe de conservation de l’énergie appliqué au système ( approximation ) permet de déterminer la chaleur massique du laiton.

• Mesurer l’élévation de température du cylindre en fonction du nombre de tours effectués.
• Mettre une goutte d’eau dans la cavité du cylindre ( pour assurer le contact thermique ) et fixer délicatement le thermomètre dans son logement. S’assurer que le cylindre est à une température comprise entre 17 et 20 °C ( température ambiante ).
• Visser le cylindre à l’extrémité de l’axe de la manivelle.
• Faire 3 tours avec la ficelle autour du cylindre et suspendre la masse de 2 kg à son extrémité. La ficelle doit être bien tendue et le dynamomètre doit indiquer environ 20 N. Attention d’enrouler la ficelle autour du cylindre dans le bon sens ! La force de frottement en tournant la manivelle dans le bon sens pour le compteur doit s’opposer la force poids de la masse ! 
• Effectuer 400 tours de manivelle en relevant la température du cylindre tous les 50 tours. Porter sur un graphique la température en fonction du nombre de tours et en tirer la valeur de la pente de la droite.
• Calculer alors la chaleur massique du cylindre à partir de la pente de la droite du graphe.

• Un dispositif avec pince et poignée tournante
• Des cylindres alu & laiton à visser pour le dispositif
• Un dynamomètre
• Une cordelette (bleue)
• Une masse de 2kg avec crochet
• Un thermomètre à alcool 0-100°C
• Un bouchon caoutchouc percé

• Un fichier EXCEL est à disposition avec les mesures. On peut enlever les mesures de température et faire remplir ensuite en direct le tableau lorsqu’un élève tourne la manivelle.
• Les calculs étant relativement simples, on peut faire faire le calcul aux élèves en classe directement.

Mesure-équivalent-mécanique-chaleur