Calorimétrie à pression constante

La calorimétrie est une technique utilisée pour mesurer la quantité de chaleur impliquée dans un processus chimique ou physique ou pour mesurer la chaleur transférée à une substance ou à partir d’une substance. La chaleur est échangée avec un dispositif isolé et étalonné appelé calorimètre. Les expériences de calorimétrie reposent sur la supposition qu’il n’y a pas d’échange thermique entre le calorimètre isolé et l’environnement externe. Les calorimètres bien isolés empêchent le transfert de chaleur entre le calorimètre et l’environnement externe, ce qui limite effectivement “ l’environnement ” aux composants hors système à l’intérieur du calorimètre (et le calorimètre lui-même). Cela permet de déterminer avec exactitude la chaleur impliquée dans les processus chimiques, comme la teneur en énergie des aliments.  

Le changement de température mesuré par le calorimètre est utilisé pour déduire la quantité de chaleur qui est transférée par le processus étudié. Dans un calorimètre, un système est défini comme la ou les substances qui subissent la transformation chimique ou physique, ou en d’autres termes, la réaction, et l’environnement est toute autre matière, y compris la solution et tous les autres composants du calorimètre qui fournissent de la chaleur au système ou absorbent la chaleur du système.

Avant de discuter de la calorimétrie des réactions chimiques, considérons un exemple plus simple qui illustre l’idée sur laquelle se base la calorimétrie. Supposons qu’un morceau de métal chaud à haute température soit placé dans une substance à basse température, telle que l’eau froide. La chaleur se propage du métal chaud vers l’eau. La température du métal diminue et la température de l’eau augmente jusqu’à ce que les deux substances aient la même température, c’est-à-dire lorsqu’elles atteignent l’équilibre thermique. Si cela se produit dans un calorimètre, toute la chaleur est transférée entre les deux substances, sans qu’aucune chaleur ne soit reçue ni perdue par son environnement externe. Dans ces circonstances idéales, la variation de chaleur nette est nulle :

Cette relation peut être réorganisée pour montrer que la chaleur reçue par le métal est égale à la chaleur perdue par la substance l’eau :

L’ampleur de la (variation de) chaleur est donc la même pour les deux substances. Le signe négatif montre simplement que q_métal et q_eau sont opposés dans la direction du flux de chaleur (gain ou perte), mais il n’indique pas le signe arithmétique de l’une ou l’autre valeur de q (qui, par définition, est déterminé selon que la matière en question reçoit ou perd de la chaleur). Dans la situation spécifique décrite, q_métal est une valeur négative et q_eau est une valeur positive puisque la chaleur est transférée du métal à l’eau.

Lors de l’utilisation de la calorimétrie pour déterminer la chaleur impliquée dans une réaction chimique, les mêmes principes s’appliquent. La quantité de chaleur absorbée par le calorimètre est souvent assez petite pour qu’elle soit souvent négligée, et le calorimètre minimise l’échange d’énergie avec l’environnement extérieur. Lorsqu’une réaction exothermique se produit en solution dans un calorimètre, la chaleur produite par la réaction est absorbée par la solution, ce qui augmente sa température. Lorsqu’une réaction endothermique se produit, la chaleur nécessaire est absorbée à partir de l’énergie thermique de la solution, ce qui diminue sa température. Le changement de température (ΔT), ainsi que le chaleur spécifique (c_soln) et la masse de la solution (m_soln), peuvent ensuite être utilisés pour calculer la quantité de chaleur (q_soln) impliquée dans les deux cas.

Un  calorimètre simple, appelé calorimètre de la tasse à café, est constitué de deux tasses en polystyrène emboîtées et fermées par un couvercle lâche. Les calorimètres de la tasse à café sont utilisés pour mesurer la chaleur des réactions qui ont lieu en solution (principalement des solutions aqueuses) et n’impliquent aucun ou très peu de changement de volume. Comme l’énergie n’est ni créée ni détruite au cours d’une réaction chimique, l’addition de la chaleur produite ou consommée dans la réaction (“ le système ”), q_R, plus la chaleur absorbée ou perdue par la solution (“ l’environnement ”), q_soln, doit donner zéro :

Cela signifie que la quantité de chaleur produite ou consommée dans la réaction est égale à la quantité de chaleur absorbée ou perdue par la solution :

Le calorimètre de la tasse à café est un calorimètre à pression constante, et la chaleur de la réaction mesurée est équivalente à la variation d’enthalpie.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 5.2 : Calorimétrie.