Me voici à nouveau pour vous présenter quelques expériences. Dans cette leçon, Théophile Mbang vous a donné quelques applications de la thermodynamique à la chimie. Ici j'aimerais vous montrer le phénomène de l'osmose que je considère comme une très belle illustration de la notion d'affinité. Ensuite, j'aimerais vous montrer une mesure rudimentaire qui rendra concrète la notion d'enthalpie de réaction. Enfin, je vous montrerai une petite expérience modeste, mais qui cherche à analyser le comportement thermique d'un être humain dans une boite, dans un calorimètre. Commençons par l'osmose. Le phénomène de l'osmose a lieu dans la situation suivante : vous avez une cellule dite osmotique qui contient une solution salée. On notera c, ici, la concentration de sel dans de l'eau. Cette cellule est immergée dans de l'eau pure. Donc dans le bassin, on a c égal 0. Entre le bassin et la cellule osmotique, il y a une membrane qui a une propriété particulière. Elle laisse passer l'eau, mais pas les ions de sel. On va se poser, on va voir ce qui se passe, et on va se poser la question de savoir, quel est le niveau de l'eau dans le tube en-dessus de la cellule osmotique à l'équilibre. Voici le bassin d'eau pure et à droite vous avez la membrane osmotique remplie d'eau salée et qui en ce moment trempe dans un bain d'eau salée également. Le préparateur met la cellule dans l'eau pure. Il a mis dans le tube un marqueur noir qui va nous permettre de mieux voir que le niveau d'eau dans la cellule monte. Comme ceci. Quelle est la condition qui décrit l'équilibre de ce système? Eh bien ici on a seulement l'eau qui est la substance chimique qui peut passer d'un côté à l'autre de la membrane. Par conséquent, la condition d'équilibre chimique s'impose, c'est-à-dire la condition d'égalité des potentiels chimiques. Attention à la notation ici : µ c'est le potentiel chimique de l'eau. Si j'indique les variables T, la température est pR. Ici c'est la pression du réservoir donc du bassin d'eau donc la pression atmosphérique, cela veut dire que je parle du µ du potentiel chimique de l'eau pure, à droite de cette égalité, j'ai un potentiel chimique qui dépend de la température, de la pression p dans la cellule, et puis de la concentration d'eau dans la solution qui est 1 moins c. On peut montrer que, pour un mélange idéal, le potentiel chimique d'une des substances d'un mélange suit la loi suivante où on a le terme RT log de la concentration, qui apparait. Pour une substance pure, le potentiel chimique peut dépendre de la pression, et pour un liquide incompressible comme l'eau, on a la loi suivante, et la condition d'équilibre nous donne le résultat suivant. On peut remanipuler un petit peu cette équation, si on utilise la définition du volume molaire qui apparait ici, le volume molaire de l'eau c'est le volume de l'eau divisé par le nombre de moles dans l'eau. Pour la concentration, à faible concentration c'est le nombre de moles de sel divisé par le nombre de moles d'eau, et si je simplifie cette équation, je vois une équation de type delta p fois V égal NRT, ça veut dire que cette différence de pression, appelée la pression osmotique, est la pression qu'aurait un gaz de sel, de mole de sel dans le volume V de l'eau. Passons maintenant à l'enthalpie de réaction. Je cherche ici à donner une vision concrète de ce qu'on entend par enthalpie de réaction, et on va regarder une enthalpie de combustion. Je me, pour faire l'expérience, je me suis inspiré du calorimètre historique de Lavoisier et Laplace, qui avaient imaginé l'expérience suivante : ils voulaient étudier la chaleur dégagée par une réaction chimique, et ils ont proposé de faire cette réaction à l'intérieur d'une sphère de glace, et de mesurer la quantité de glace transformée en eau pour estimer la chaleur dégagée par la réaction. Alors je vais vous proposer quelque chose de semblable mais au lieu d'utiliser de la glace, on va chauffer de l'eau. J'ai ici un réchaud à alcool posé sur une balance, on va donc mesurer la quantité d'alcool qui a brûlé. On a de l'eau en-dessus de la flamme, dont on va mesurer la température. On connait la chaleur spécifique de l'eau, donc on va pouvoir mesurer la quantité de chaleur emmagasinée par l'eau. Le préparateur a mis 200 grammes d'eau dans le bécher, la minuterie est enclenchée, et on mesure la température de l'eau. En même temps qu'on voit le poids du réchaud à alcool qui diminue parce que l'alcool a brûlé. [AUDIO_VIDE] J'arrête l'expérience ici. Je vous propose d'essayer d'estimer l'ordre de grandeur de la, l'enthalpie de combustion. On a les données suivantes : on a 0,9 g d'alcool, qui ont permis de chauffer 200 g d'eau de 17 degrés. Alors tout simplement, je calcule la chaleur apportée à l'eau, je divise par la quantité d'alcool utilisée, je trouve 16 mégajoules par kilo, la valeur tabulée est plutôt de 30 mégajoules par kilo, notre expérience n'était de loin pas précise, en particulier une partie de la chaleur dégagée par la flamme est partie en convection dans l'air, pour chauffer l'air au lieu de chauffer l'eau. Donc je ne suis pas étonné qu'on ne trouve pas la bonne valeur. Le but de cette expérience c'était d'illustrer un concept plutôt que de faire une mesure précise. Passons maintenant à un calorimètre humain. Le voici, c'est une caisse en bois isolée par des panneaux qui ne conduisent que très mal la chaleur, et puis on va mettre une personne, le papa de l'assistante ici et on va mesurer la température de l'air dans la caisse pendant quelques minutes. Rassurez-vous, on ne laissera le préparateur que quelques minutes dans cette boite. Voici ce qu'on a observé. Vous avez la température de l'air, il y avait un ventilateur dans la caisse pour assurer un bon brassage de l'air. Vous voyez ici dans l'intervalle de 400 secondes de combien l'air a changé de température. On a ensuite enlevé le préparateur de cette caisse, et on l'a remplacé par une résistance électrique qu'on a chauffée en forçant un courant dans la résistance. On avait une puissance électrique de 100 watts, et on observe à peu près le même échauffement de l'air pour une résistance de 100 watts, donc on en déduit que, une personne dissipe à peu près 100 watts, ce qui correspond à 2 000 kilocalories par jour. En résumé, pour illustrer les concepts de la thermodynamique appliquée à la chimie, j'ai illustré la notion d'affinité en vous montrant le phénomène de l'osmose, j'ai essayé de faire une mesure naïve, mais très explicite d'une enthalpie de combustion, et ensuite, je vous ai montré une petite expérience avec un calorimètre humain. Je vous remercie de votre attention.
