Étude de la cocotte-minute

Étude de la cocotte-minute

Comprendre l’Étude de la cocotte-minute

Nous allons explorer les principes de la thermodynamique appliqués à un système fermé, ici une cocotte-minute.

Une cocotte-minute permet de cuire les aliments à une température supérieure à celle du point d’ébullition de l’eau à pression atmosphérique normale, grâce à la pression accrue à l’intérieur du récipient.

Données:

  • Volume initial de l’eau : \(V_{\text{eau}} = 2\, \text{litres}\)
  • Température initiale de l’eau : \(T_{\text{init}} = 20^\circ\text{C}\)
  • Chaleur spécifique de l’eau : \(c_{\text{eau}} = 4.18\, \text{kJ/kg.K}\)
  • Masse volumique de l’eau : \(\rho_{\text{eau}} = 1000\, \text{kg/m}^3\)
  • Puissance du feu : \(P = 1500\, \text{W}\)
  • Temps de chauffage : \(t = 15\, \text{minutes}\)
  • Pression initiale : \(P_{\text{init}} = 1\, \text{atm}\) (atmosphère standard)
  • Pression finale dans la cocotte-minute : \(P_{\text{final}} = 2\, \text{atm}\)
  • Constante de van der Waals pour l’eau sous forme de vapeur : \(a = 5.536\, \text{m}^6.\text{Pa/mol}^2\), \(b = 0.03049\, \text{m}^3/\text{mol}\)
  • Constante des gaz parfaits : \(R = 8.314\, \text{J/(mol.K)}\)

Question:

Calculer la variation de la température de l’eau après 15 minutes de chauffage sous pression. Prendre en compte les changements de phase potentiels et les effets de la pression sur la température d’ébullition de l’eau.

Correction : Étude de la cocotte-minute

Étape 1 : Calcul de la quantité de chaleur ajoutée

La puissance du feu est de \(1500 \, \text{W}\) et le temps de chauffage est de \(15 \, \text{minutes}\).

Conversion du temps en secondes :

\[ t = 15 \, \text{min} \times 60 \, \text{s/min} \] \[ t = 900 \, \text{s} \]

Quantité de chaleur ajoutée :

\[ Q = P \times t = 1500 \, \text{W} \times 900 \, \text{s} \] \[ Q = 1350000 \, \text{J} \] \[ Q = 1350 \, \text{kJ} \]

Étape 2 : Calcul de la variation de la température sans changement de phase

Masse de l’eau :

\[ m = V_{\text{eau}} \times \rho_{\text{eau}} \] \[ m = 2 \, \text{L} \times 1000 \, \text{kg/m}^3 \] \[ m = 2 \, \text{kg} \]

Variation de température :

\[ \Delta T = \frac{Q}{m \cdot c_{\text{eau}}} \] \[ \Delta T = \frac{1350 \, \text{kJ}}{2 \, \text{kg} \times 4.18 \, \text{kJ/kg.K}} \] \[ \Delta T \approx 161.72^\circ\text{C} \]

Donc, la température finale de l’eau, sans changement de phase, serait :

\[ T_{\text{final}} = T_{\text{init}} + \Delta T \] \[ T_{\text{final}} = 20^\circ\text{C} + 161.72^\circ\text{C} \] \[ T_{\text{final}} = 181.72^\circ\text{C} \]

Étape 3 : Effet de la pression sur la température d’ébullition

Conversion de la pression en MPa et ajustement de la température d’ébullition:

\[ P_{\text{final}} = 2\,\text{atm} \approx 0.20265\,\text{MPa} \]

La température d’ébullition sous pression n’est pas linéairement proportionnelle à la pression. Pour une estimation plus précise, consultez des tables de vapeur ou utilisez des équations d’état pour l’eau.

Supposons une augmentation approximative de \(30^\circ C\) à 2 atm pour simplifier.

\[ T_{\text{ébullition}} \approx 100^\circ C + 30^\circ C \] \[ T_{\text{ébullition}} = 130^\circ C \]

Étape 4 : Conclusion

La température finale calculée sans changement de phase est \(181.72^\circ C\), qui est supérieure à la température d’ébullition ajustée à \(130^\circ C\) sous 2 atm.

Cela indique que l’eau commencerait à se transformer en vapeur, ce qui nécessite de considérer l’énergie de vaporisation pour un calcul complet.

Étude de la cocotte-minute

D’autres exercices de physique seconde:

Étude d’une onde sonore
Étude d’une onde sonore

Étude d'une onde sonore Comprendre l'Étude d'une onde sonore Un son est produit par un haut-parleur et se propage dans l'air à une température de 20°C. Ce son atteint un micro situé à une distance de 170 mètres du haut-parleur. Questions : Partie A : Calcul de la...

Analyse d’un Concert en Plein Air
Analyse d’un Concert en Plein Air

Analyse d'un Concert en Plein Air Comprendre l'Analyse d'un Concert en Plein Air Un groupe de musique joue dans un parc. Le son voyage depuis la scène jusqu'à un spectateur situé à 170 mètres. On considère que la vitesse du son dans l'air est de 340 m/s. Pendant un...

Calcul du Grandissement de l’image
Calcul du Grandissement de l’image

Calcul du Grandissement de l'image Comprendre le Calcul du Grandissement de l'image Lors d'une expérience en classe de seconde, les élèves utilisent une lentille convergente pour projeter l'image d'un objet sur un écran. L'objet en question est une flèche verticale de...

Propriétés des Ondes Mécaniques sur l’Eau
Propriétés des Ondes Mécaniques sur l’Eau

Propriétés des Ondes Mécaniques sur l'Eau Comprendre les Propriétés des Ondes Mécaniques sur l'Eau Une onde mécanique progressive se propage à la surface de l'eau. Un observateur remarque que lorsqu'une pierre est jetée dans l'eau, cela génère des vagues circulaires....

La force du vent sur un voilier
La force du vent sur un voilier

La force du vent sur un voilier Comprendre La force du vent sur un voilier Un voilier navigue sur un lac. Le bateau subit deux forces principales dues au vent : une force due au vent qui souffle et une force due à la réaction de la voile. Nous considérons que ces...

Calcul de la poussée d’Archimède
Calcul de la poussée d’Archimède

Calcul de la poussée d'Archimède Comprendre le Calcul de la poussée d'Archimède Dans le cadre d'un projet de classe, les élèves de seconde ont conçu un petit sous-marin en plastique. Afin de comprendre comment ce sous-marin peut flotter ou s'enfoncer dans l'eau, il...

Calcul de la Résultante des Forces
Calcul de la Résultante des Forces

Calcul de la Résultante des Forces Comprendre le Calcul de la Résultante des Forces Sarah et Tom participent à une compétition de science où ils doivent concevoir un petit véhicule qui peut se déplacer le plus loin possible sur une piste plane. Ils utilisent un...

Lois de la Réfraction
Lois de la Réfraction

Lois de la Réfraction Comprendre la Lois de la Réfraction Un rayon lumineux passe de l'air dans l'eau. On souhaite étudier la réfraction de ce rayon lumineux. Données: Indice de réfraction de l'air, \( n_{\text{air}} = 1 \) Indice de réfraction de l'eau, \(...

Calcul de la vitesse d’un parachutiste
Calcul de la vitesse d’un parachutiste

Calcul de la vitesse d'un parachutiste Comprendre le Calcul de la vitesse d'un parachutiste Lors d'un saut en parachute, un parachutiste de masse constante effectue une chute libre avant d'ouvrir son parachute. Cet exercice propose de calculer la vitesse du...

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *