Exemples de questions sur le principe de Black

15 exemples de questions basées sur le principe de Black

1. On mélange 0,2 kg de glace avec 0,2 kg de thé chaud. La température de la glace est de – 10 °C.^oC, température du thé chaud = 40^oC. Chaleur spécifique de la glace = 2100 J/kg °C^ochaleur spécifique de l'eau = 4200 J/kg °C^oL'enthalpie de fusion de l'eau est de 334 000 J/kg. Si l'on mélange de la glace et du thé chaud dans un système clos et isolé, quelle sera la température finale du mélange ?

Discussion
Est connu :
Masse de glace (m es) = 0,2 kg
Masse d'eau chaude pour le thé (m thé) = 0,2 kg
Chaleur spécifique de l'eau (c eau) = 4180 J/kg °C^o
Chaleur spécifique de la glace (c es) = 2100 J/kg °C^o
Chaleur de fusion de l'eau (L)_f eau) = 334 000 J/kg
Température de la glace (T es) = -10^oC
Température de l'eau chaude pour le thé (T thé) = 40^oC
Demandé : température finale du mélange (T mélange) ?
Répondre :
Première étape : estimer l'état final.
La chaleur que l'eau doit dégager pour abaisser la température de 0,2 kg de thé chaud de 40 °C à 50 °C.^oC à 0^oC:
La chaleur absorbée par 0,2 kg de glace pour élever sa température de -10^oC à 0^oC:
Chaleur absorbée pour faire fondre 0,2 kg de glace (chaleur nécessaire pour transformer toute la glace en eau) :
D’après les calculs ci-dessus, les résultats suivants ont été obtenus :
Q libéré = 33,444 kJ
Q reçu = 4,2 kJ
Q fusion = 66,8 kJ

Lorsque le thé chaud libère 33,44 kJ de chaleur, sa température passe de 40 °C à 0 °C. Une partie de cette chaleur (environ 4,2 kJ) est utilisée pour élever la température de la glace de -10 °C à 0 °C. ^oC à 0^oC. 33,44 kJ – 4,2 kJ = 29,24 kJ. Pour faire fondre toute la glace, il faut fournir 66,8 kJ de chaleur. La chaleur restante est de 29,24 kJ.

On peut en conclure que la chaleur dégagée par le thé chaud sert uniquement à élever la température de la glace de -10 °C. ^oC à 0^oC et fait fondre une partie de la glace. Une partie de la glace s'est transformée en eau, l'autre non. Lors du passage de l'état solide à l'état liquide, la température reste constante. Par conséquent, la température finale du mélange est de 0 °C.^oC.

2. Masse du thé chaud = 0,4 kg, masse de la glace = 0,2 kg, température des glaçons = -10^oC, température du thé chaud = 90^oC. Si les deux sont mélangés, quelle est la température finale du mélange ?
Discussion
Première étape : estimer l'état final
La chaleur que l'eau doit dégager pour abaisser la température de 0,4 kg d'eau chaude pour thé de 90 °C à partir de cette valeur.^oC à 0^oC:
La chaleur reçue par 0,2 kg de glace pour élever sa température de -10^oC à 0^oC:
La chaleur nécessaire pour faire fondre 0,2 kg de glace (la chaleur nécessaire pour transformer toute la glace en eau) :
D’après les calculs ci-dessus, les résultats suivants ont été obtenus :
Q libéré = 150,48 kJ
Q reçu = 4,2 kJ
Q fusion = 66,8 kJ
Lorsque du thé chaud libère 150,48 kJ de chaleur, sa température passe de 90 °C à 0 °C. Une partie de cette chaleur (4,2 J) est utilisée pour élever la température de la glace de -10 °C à 0 °C. 150,48 kJ – 4,8 kJ = 146,28 kJ. La chaleur restante est de 146,28 kJ.
La chaleur nécessaire pour faire fondre toute la glace en eau est de seulement 66,8 kJ. 146,28 kJ – 66,8 kJ = 79,48 kJ. Le thé chaud n'a pas besoin de libérer toute sa chaleur avant que sa température n'atteigne 0 °C.^oC. En conclusion, la température finale du mélange doit être supérieure à 0^oC.

Deuxième étape : déterminer la température finale (T)
La chaleur nécessaire pour élever la température de la glace de -10^oC à 0^oC vaut 4200 J.
La chaleur nécessaire pour faire fondre toute la glace en eau (chaleur latente) = 66 800 J
La chaleur nécessaire pour élever la température de l'eau (eau résultant de la fonte de toute la glace) de 0^oC à T^oC = (masse de glace)(chaleur spécifique de l'eau)(T – 0) = (0,2)(4180)(T) = 836 T
La chaleur dégagée par le thé chaud pour abaisser sa température de 90 °C à T = (densité de l'eau)(90 - T) = (0,4)(4180)(90 – T) = 1672 (90 - T) = 150 480 – 1672 T

 

3. 60 grammes d'eau à une température de 90^oC (chaleur spécifique de l'eau = 1 cal.g^-1.^oC^-1) mélangé avec 40 grammes d'eau similaire à une température de 25^oC. Si aucun autre facteur n'affecte ce processus, la température finale du mélange est…

A. 15,4 ^oC
B. 23,0 ^oC
C. 46,0 ^oC
D. 64,0 ^oC
E. 77,0 ^oC

Discussion
Est connu :
Masse d'eau 1 (m₁) = 60 grammes
Température de l'eau 1 (T₁) = 90^oC
Masse d'eau 2 (m₂) = 40 grammes
Température de l'eau 2 (T₂) = 25^oC
Chaleur spécifique eau (c) = 1 cal.g^-1.^oC^-1
Demandé : suhu mélange final
Répondre :
Chaleur libérée par l'eau à haute température (Q libérée) = chaleur absorbée par l'eau à basse température (Q absorbée)
m₁ c (ΔT) = m₂ c (ΔT)
(60)(1)(90 – T) = (40)(1)(T – 25)
(60)(90 – T) = (40)(T – 25)
5400 – 60T = 40T – 1000
5400 + 1000 = 40T + 60T
6400 = 100T
T = 6400/100
T = 64^oC
La bonne réponse est D.

4. Un morceau d'aluminium a une masse de 500 grammes et une température de 30 ^oOn introduit C dans un récipient contenant 200 grammes d'eau à une température de 90 °C. ^oC. Si la chaleur spécifique de l'aluminium est connue pour être de 0,22 cal/g °C^o et la chaleur spécifique de l'eau est de 1 cal/g °C^o, alors la température finale de l'eau et de l'aluminium est...
A. 20,3 ^oC
B. 42,2 ^oC
C. 68,7 ^oC
D. 80,5 ^oC
E. 100 ^oC
Discussion :
L'unité de masse, le gramme (g), n'a pas besoin d'être convertie en kilogramme (kg) car la chaleur spécifique de l'aluminium et la chaleur spécifique de l'eau sont exprimées en cal/g °C.^o.
Est connu :
m aluminium = 500 grammes
c aluminium = 0,22 cal/gC^o
T aluminium = 30 ^oC
m eau = 200 grammes
c eau = 1 cal/gC^o
T eau = 90 ^oC
Demandé :
Température finale (T) de l'eau et de l'aluminium ?
Répondre :

Formule chauffante : Q = (m)(c)(delta T)

Q eau = (200 grammes)(1 cal/gC^o)(dix ^oC – T)
Q aluminium = (500 grammes)(0,22 cal/gC^o)(T– 30 ^oC)

La formule de base de Black :Q _lepas = Q _serap

L'eau a une température initiale plus élevée (90 ^oC) L'eau dégageant de la chaleur, l'aluminium a une température initiale plus basse (30 ^oC) afin que l'aluminium absorbe la chaleur. La température finale du mélange eau-aluminium doit être inférieure à la température initiale de l'eau et supérieure à la température initiale de l'aluminium.
(200 grammes)(1 cal/gC^o)(dix ^oC – T) = (500 grammes)(0,22 cal/g C^o)(T– 30 ^oC)
(200)(1)(90-T) = (500)(0,22)(T-30)
(200)(90-T) = (110)(T-30)
18000 – 200 T = 110 T – 3300
18000 + 3300 = 110 T + 200 T
21300 = 310 T
T = 68,7 ^oC
La température finale du mélange eau-aluminium est de 68,7 °C. ^oC.
La bonne réponse est C.

5. Un morceau de métal d'une masse de 300 grammes à une température de 80 ^oC trempé dans 200 grammes d'eau à 40 ^oC. Chaleur spécifique de l'eau = 1 cal/g °C^oSi la température finale du mélange de métal et d'eau est de 50^o Si la température C et le récipient n'absorbent pas de chaleur, alors la chaleur spécifique du métal est…
A. 0,15 cal/g C^o
B. 0,22 cal/g C^o
C. 1,50 cal/g C^o
D. 4,8 cal/g C^o
E. 7,2 cal/g C^o
Discussion :
Est connu :
m métal = 300 grammes
T métal = 80 ^oC
m eau = 200 grammes
T eau = 40 ^oC
c eau = 1 cal/g C^o
T mélange final de métal et d'eau = 50 ^oC
Demandé :
métal c ?
Répondre :
Q métal = (m)(c)(delta T) = (300 grammes)(c métal)(80^oC - 50^oC) = (300 grammes)(métal c)(30 C^o)
Q eau = (m)(c)(delta T) = (200 grammes)(1 cal/g C^o)(dix^oC - 50^oC) = (200 grammes)(1 cal/g C^o)(10 C^o)

La formule de base de Black :Q _lepas = Q _serap

Le métal a une température initiale plus élevée (80 ^oC) de sorte que le métal libère de la chaleur, l'eau a une température initiale plus basse (40 ^oC) afin que l'eau absorbe la chaleur.
(300 grammes)(métal c)(30 °C)^o) = (200 grammes)(1 cal/g C^o)(10 C^o)
(300)(c)(30) = (200)(1)(10)
9000 c = 2000
c = 2000 / 9000
c = 0,22 cal/g C^o
La chaleur spécifique du métal est de 0,22 cal/g °C^o.
La bonne réponse est B.

6. Deux boules identiques ont la même température de 40 ^oÀ une température de 60 °C, deux boules de masses respectives de 10 et 40 grammes sont placées dans un fluide, de sorte que leur température s'élève à 60 °C.^oC. Si la chaleur spécifique de la bille est de 2 cal/gr C^o Sachant que 1 calorie = 4,2 joules, la différence de chaleur absorbée par chaque balle est de...
A. 5,04 x 10³ Joule
B. 7,50 x 10³ Joule
C. 10,6 x 10³ Joule
D. 40 x 10³ Joule
E. 42 x 10³ Joule
Discussion :
Est connu :
m₁ = 10 gramme
m₂ = 40 gramme
T₁ = T₂ = 40 ^oC
T _akhir = 60 ^oC
boule c = 2 cal/gr C^o
Demandé :
Quelle est la différence de chaleur absorbée par chaque balle ?
Répondre :
La température des deux balles augmente car les deux balles doivent absorber de la chaleur.
Q₁ = (10 g)(2 cal/g C^o)(dix^oC-40^oC) = (10 g)(2 cal/g C^o)(20 C^o) = 1 600 calories = (1 600)(4,2 J) = 6 720 Joules
Q₂ = (40 g)(2 cal/g C^o)(dix^oC-40^oC) = (40 g)(2 cal/g C^o)(20 C^o) = 1 600 calories = (1 600)(4,2 J) = 6 720 Joules
La différence de chaleur absorbée par chaque balle :
6 720 J – 1 680 J = 5 040 J = 5,04 x 10³ J
La bonne réponse est A.

7. On mélange 200 grammes d'eau à 30 °C avec 100 grammes d'eau bouillante à 90 °C. (Chaleur massique de l'eau = 1 cal/g)^-1° C^-1La température de l'eau mélangée au moment de l'équilibre thermique est de…

A. 10°C

B. 30°C

C. 50°C

D. 75°C

E. 150°C

Discussion

Est connu :

Masse d'eau 1 (m₁) = 200 grammes

Température de l'eau 1 (T₁) = 30^oC

Masse d'eau 2 (m₂) = 100 grammes

Température de l'eau 2 (T₂) = 90^oC

Chaleur spécifique de l'eau (c) = 1 cal/g^-1° C^-1

Demandé : température finale du mélange

Répondre :

Chaleur libérée par l'eau à haute température (Q libérée) = chaleur absorbée par l'eau à basse température (Q absorbée)

La bonne réponse est C.

8. Lajusqu'à 60 grammes à une température de 90^oC (chaleur spécifique de l'eau = 1 cal.g^-1.^oC^-1) mélangé avec 40 grammes d'eau similaire à une température de 25^oC. Si aucun autre facteur n'affecte ce processus, la température finale du mélange est…

A. 15,4 ^oC

B. 23,0 ^oC

C. 46,0 ^oC

D. 64,0 ^oC

E. 77,0 ^oC

Discussion

Est connu :

Masse d'eau 1 (m₁) = 60 grammes

Température de l'eau 1 (T₁) = 90^oC

Masse d'eau 2 (m₂) = 40 grammes

Température de l'eau 2 (T₂) = 25^oC

Chaleur spécifique de l'eau (c) = 1 cal.g^-1.^oC^-1

Demandé : température finale du mélange

Répondre :

Chaleur libérée par l'eau à haute température (Q libérée) = chaleur absorbée par l'eau à basse température (Q absorbée)

La bonne réponse est D.

9. Glace d'une masse de M grammes à une température de 0^oC, plongés dans de l'eau pesant 340 grammes à une température de 20^oC est placé dans un récipient spécial. On suppose que le récipient n'absorbe ni ne libère de chaleur. Si L_es = 80 cal g^-1, C_air = 1 cal g^{-1 o}C^-1, toute la glace fond et l'équilibre thermique est atteint à une température de 5^oC, alors la masse de glace (M) est…

A. 60 grammes

B. 68 grammes

Environ 75 grammes

D. 80 grammes

E. 170 grammes

Discussion

Est connu :

Masse d'eau (m) = 340 grammes

Température de la glace (T_es) = 0^oC

Température de l'eau (T_air) = 20^oC

Température d'équilibre thermique (T) = 5^oC

Chaleur de fusion de la glace (L_es) = 80 cal g^-1

Chaleur spécifique de l'eau (c_air) = 1 cal g^{-1 o}C^-1

Demandé : Masse de glace (M)

Répondre :

Principe Noir affirme que dans un système fermé isolé, la chaleur dégagée par un objet à haute température est la même que la chaleur absorbée par un objet à basse température.

Chaleur libérée par l'eau (Q libérée) = chaleur absorbée par la glace (Q absorbée)

La bonne réponse est A.

Note:

S'il est indiqué que la glace a une température de 0^o alors l'eau est encore à l'état solide. S'il est indiqué que l'eau est à une température de 0^oC, alors l'eau est à l'état liquide. Différenciez l'utilisation des mots glace et eau. Puisque l'eau est encore à l'état solide (glace), la chaleur absorbée sert d'abord à faire fondre toute la glace. Par conséquent, une formule est ajoutée au membre de droite de l'équation ci-dessus pour calculer la quantité de chaleur nécessaire à la fonte de la glace (m_es L_esUne fois que toute la glace a fondu et s'est transformée en eau, on utilise de la chaleur supplémentaire pour élever sa température de 0 °C à 10 °C.^oC devient 5^oC.

10. Cuivre métallique à une température de 100^oOn introduit dans de l'eau une masse de 128 grammes et une température de 30 °C. ^oC. Chaleur spécifique de l'eau 1 cal.g^-1oC^-1 et la chaleur spécifique du cuivre est de 0,1 cal.g^-1oC^-1Si l'équilibre thermique est atteint à une température de 36 ^oC, alors la masse du métal est….

A. 140 grammes

B. 120 grammes

Environ 100 grammes

D. 80 grammes

E. 75 grammes

Discussion

Il est connu que :

Température du cuivre (T₁) = 100 ^oC

Chaleur spécifique du cuivre (c₁) = 0,1 cal.g^-1oC^-1

Masse d'eau (m₂) = 128 grammes

Température de l'eau (T₂) = 30 ^oC

Chaleur spécifique de l'eau (c₂) = 1 cal.g^-1oC^-1

Température d'équilibre thermique (T) = 36 ^oC

Demandé: Masse de cuivre (m₁)

Répondre :

Le principe de Black stipule que la chaleur dégagée par un objet à haute température est égale à la chaleur reçue par un objet à basse température.

La bonne réponse est B.

11. Trois kilogrammes de tige de plomb noir ayant une chaleur spécifique de 1400 J.kg^-1C^-1 température 80^oC est immergé dans 10 kg d'eau dont la chaleur spécifique est de 4200 J.kg.^-1C^-1Après l'atteinte de l'équilibre thermique, la température finale du mélange est de 20 °C.^oC. La température initiale de l'eau est de…

A. 20 ^oC

B. 18 ^oC

C. 14 ^oC

D. 12 ^oC

E. 10 ^oC

Discussion

Il est connu que :

Masse de plomb (m₁) = 3 kg

Chaleur spécifique de l'étain (c₁) = 1400 J.kg^-1C^-1

Température de l'étain (T₁) = 80 ^oC

Masse d'eau (m₂) = 10 kg

Chaleur spécifique de l'eau (c₂) = 4200 J.kg^-1C^-1

Température d'équilibre thermique (T) = 20 ^oC

Demandé: Température initiale de l'eau (T₂)

Répondre :

La bonne réponse est C.

12. Une pièce de 50 grammes est chauffée à une température de 85^oC, puis plongé dans un récipient contenant 50 grammes d'eau à une température de 29,8^oC (chaleur spécifique de l'eau = 1 cal.g^-1.^oC^-1). Si la température finale du système est de 37^oC et en supposant qu'il n'y a pas de variation de chaleur à travers le récipient, alors la chaleur spécifique du métal est…

A. 0,12 cal.g^-1.^oC^-1

B. 0,30 cal.g^-1.^oC^-1

C. 1,50 cal.g^-1.^oC^-1

D. 4,8 cal.g^-1.^oC^-1

E. 7,2 cal.g^-1.^oC^-1

Discussion

Il est connu que :

Masse de la pièce (m) = 50 grammes

Température initiale de la pièce (T₁) = 85^oC

Masse d'eau (m) = 50 grammes

Température initiale de l'eau (T₂) = 29,8^oC

Chaleur spécifique de l'eau = 1 cal.g^-1.^oC^-1

Température finale du système (T) = 37^oC

Demandé: Chaleur spécifique du métal (c)

Répondre :

Le principe de Black stipule que la chaleur dégagée est égale à la chaleur absorbée. La pièce de monnaie dégage de la chaleur et l'eau en absorbe, jusqu'à ce que l'équilibre thermique soit atteint.

Toutes les unités sont exprimées en grammes, il n'est donc pas nécessaire de les convertir.

Q _lepas = Q _serap

m_connecter c ΔT = m_air c ΔT

(50)(c)(85-37) = (50)(1)(37-29,8)

(50)(c)(48) = (50)(7,2)

(50)(c)(48) = (50)(7,2)

(c)(48) = 7,2

c = 7,2 / 48

c = 0,15 cal.g^-1.^oC^-1

13. Métal cuivre à une température de 100^oOn introduit dans de l'eau une masse de 128 grammes et une température de 30 °C. ^oC. Chaleur spécifique de l'eau 1 cal.g^{-1 o}C^-1 et la chaleur spécifique du cuivre est de 0,1 cal.g^{-1 o}C^-1Si l'équilibre thermique est atteint à une température de 36 ^oC, alors la masse du métal est….

A. 140 grammes
B. 120 grammes
Environ 100 grammes
D. 80 grammes
E. 75 grammes

Discussion
Il est connu que :
Température du cuivre (T₁) = 100 ^oC
Chaleur spécifique du cuivre (c₁) = 0,1 cal.g^{-1 o}C^-1

Masse d'eau (m₂) = 128 grammes
Température de l'eau (T₂) = 30 ^oC
Chaleur spécifique de l'eau (c₂) = 1 cal.g^{-1 o}C^-1

Température d'équilibre thermique (T) = 36 ^oC
Question : Masse de cuivre (m₁)
Répondre :

Le principe de Black stipule que la chaleur dégagée par un objet à haute température est égale à la chaleur reçue par un objet à basse température.
Q cuivre = Q eau
m₁ c₁ ΔT = m₂ c₂ ΔT
(m₁)(0,1)(100-36) = (128)(1)(36-30)
(m₁)(0,1)(64) = (128)(1)(6)
(m₁)(6,4) = 768
m₁ = 768 / 6,4
m₁ = 120
La masse de cuivre est de 120 grammes.
La bonne réponse est B.

14. Trois kilogrammes de tige de plomb noir ayant une chaleur spécifique de 1400 J.kg^-1 C^-1 température 80^oC est immergé dans 10 kg d'eau dont la chaleur spécifique est de 4200 J.kg.^-1 C^-1Après l'atteinte de l'équilibre thermique, la température finale du mélange est de 20 °C.^oC. La température initiale de l'eau est de…

A. 20 ^oC
B. 18 ^oC
C. 14 ^oC
D. 12 ^oC
E. 10 ^oC

Discussion
Il est connu que :
Masse de plomb (m₁) = 3 kg
Chaleur spécifique de l'étain (c₁) = 1400 J.kg^-1 C^-1
Température de l'étain (T₁) = 80 ^oC

Masse d'eau (m₂) = 10 kg
Chaleur spécifique de l'eau (c₂) = 4200 J.kg^-1 C^-1

Température d'équilibre thermique (T) = 20 ^oC
Recherche : Température initiale de l'eau (T₂)
Répondre :
Q libéré = Q reçu
Q d'étain = Q d'eau
m₁ c₁ ΔT = m₂ c₂ ΔT
(3)(1.400)(80-20) = (10)(4.200)(20-T)
(4 200)(60) = (42 000)(20-T)
252 000 = 840 000 – 42 000 T
42 000 T = 840 000 – 252 000
42.000 588.000 T = XNUMX XNUMX
T = 588.000 42.000 / XNUMX XNUMX
T = 14
La température initiale de l'eau est de 14^oC.
La bonne réponse est C.

15. Glace d'une masse de M grammes à une température de 0^oC, plongés dans de l'eau pesant 340 grammes à une température de 20^oC est placé dans un récipient spécial. On suppose que le récipient n'absorbe ni ne libère de chaleur. Si L_es = 80 cal g^-1, C_air = 1 cal g^{-1 o}C^-1, toute la glace a fondu et équilibre thermique obtenu à une température de 5^oC, alors la masse de glace (M) est…

A. 60 grammes
B. 68 grammes
Environ 75 grammes
D. 80 grammes
E. 170 grammes

Discussion
Est connu :
Masse d'eau (m) = 340 grammes
Température de la glace (T_es) = 0^oC
Sec eau (T_air) = 20^oC
Température d'équilibre thermique (T) = 5^oC
Chaleur de fusion de la glace (L_es) = 80 cal g^-1
Chaleur spécifique de l'eau (c_air) = 1 cal g^{-1 o}C^-1
Demandé : Masse de glace (M)
Répondre :

Principe Noir affirme que dans un système fermé isolé, la chaleur dégagée par un objet à haute température est la même que la chaleur absorbée par un objet à basse température.
Chaleur libérée par l'eau (Q libérée) = chaleur absorbée par la glace (Q absorbée)
m_air c_air ( T) = m_es L_es +m_es c_air ( T)
(340)(1)(20-5) = M (80) + M (1)(5-0)
(340)(15) = 80M + 5M
5100 = 85 millions
H = 5100/85
M = 60 grammes
La bonne réponse est A.

Note:
S'il est indiqué que la glace a une température de 0^o alors l'eau est encore à l'état solide. S'il est indiqué que l'eau est à une température de 0^oC, alors l'eau est à l'état liquide. Différenciez l'utilisation des mots glace et eau. Puisque l'eau est encore à l'état solide (glace), la chaleur absorbée sert d'abord à faire fondre toute la glace. Par conséquent, une formule est ajoutée au membre de droite de l'équation ci-dessus pour calculer la quantité de chaleur nécessaire à la fonte de la glace (m_es L_esUne fois que toute la glace a fondu et s'est transformée en eau, on utilise de la chaleur supplémentaire pour élever sa température de 0 °C à 10 °C.^oC devient 5^oC.

Source de la question :

Questions de physique pour l'examen national de fin d'études secondaires/professionnelles