🎯 En bref
Un TP de calorimétrie consiste à mesurer un transfert thermique dans un calorimètre (une enceinte calorifugée, type vase Dewar) pour en déduire une grandeur : capacité thermique massique de l'eau ou d'un métal, chaleur latente de fusion de la glace. Le principe tient en une phrase : le système {calorimètre + contenu} est isolé et évolue à pression constante, donc son enthalpie se conserve : ΔH = 0, soit la somme des ΔH de chaque corps qui s'échauffe ou change d'état. La difficulté n'est pas le calcul — c'est de ne pas oublier la valeur en eau du calorimètre, de soigner les gestes (glaçon séché, agitation, lecture rapide) et de chiffrer l'incertitude. Chez Majorant, on entraîne nos élèves à poser ce bilan proprement avant les TP notés et l'épreuve pratique des concours.
ℹ️ Info
Un calorimètre parfait n'existe pas : l'isolation n'est jamais totale. Une partie de la démarche expérimentale consiste précisément à minimiser les pertes (manip rapide, couvercle fermé, agitation) puis à les assumer dans l'analyse critique. C'est un TP où le sens physique compte plus que la virtuosité calculatoire — exactement l'état d'esprit qu'on cultive dans notre méthode pour [travailler la physique en prépa](/nos-conseils/travailler-la-physique-en-prepa-methode-mpsi-pcsi).
« ΔH = m · c · (T_f − T_i) »
« ΔH = m · L_f (L_f = chaleur latente massique de fusion) »
⚠️ Attention
N'écris jamais « Q = 0 » tout court en pensant premier principe classique (ΔU). Dans un calorimètre ouvert à l'air, c'est l'enthalpie qui est la bonne fonction d'état, parce que la transformation est isobare. Un correcteur de TP ou d'oral repère immédiatement l'élève qui pose ΔH = 0 en le justifiant (isobare + calorifugé) : c'est là qu'on gagne les premiers points, avant même le moindre calcul.
« C_cal = μ · c_eau »
💡 Conseil
Oublier μ est l'erreur n°1 en calorimétrie. Elle est d'autant plus grave que les masses d'eau sont faibles : avec 100 g d'eau et μ = 25 g, négliger le calorimètre fausse ton résultat de 20 %. La première manip d'une séance de calorimétrie est presque toujours la détermination de μ, précisément pour pouvoir la réinjecter ensuite.
« (m₁ + μ) · c_eau · (T_f − T₁) + m₂ · c_eau · (T_f − T₂) = 0 »
« μ = m₂ · (T₂ − T_f) / (T_f − T₁) − m₁ »
« μ = 200 × (50 − 33) / (33 − 18) − 200 = 200 × (17/15) − 200 ≈ 226,7 − 200 ≈ **27 g** »
« (m₁ + μ) · c_eau · (T_f − T₁) + M · c_métal · (T_f − T₂) = 0 »
« c_métal = (m₁ + μ) · c_eau · (T_f − T₁) / [ M · (T₂ − T_f) ] »
« (m₁ + μ) · c_eau · (T_f − T₁) + m_g · L_f + m_g · c_eau · (T_f − 0) = 0 »
« L_f = (m₁ + μ) · c_eau · (T₁ − T_f) / m_g − c_eau · T_f »
💡Les TP se travaillent, comme les DS. Poser un bilan enthalpique, choisir la bonne fonction d'état, chiffrer une incertitude : ces réflexes s'entraînent. Les mentors Majorant — passés par Mines Paris, CentraleSupélec et Polytechnique — reprennent avec toi les manipulations clés et la rédaction.
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La différence entre un TP réussi et un TP moyen ne se joue presque jamais sur le calcul final — elle se joue sur ces gestes. Un bilan enthalpique parfait avec un glaçon mal séché donne un résultat faux. C'est pour ça qu'en TP, la rigueur expérimentale vaut autant que la théorie, un principe qu'on retrouve dans [TP de chimie : gestion du temps et erreurs à éviter](/nos-conseils/tp-de-chimie-gestion-du-temps-et-erreurs-a-eviter).
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Voir les stages Majorant -->Tu prépares un TP de calorimétrie en prépa (PCSI, MPSI, PTSI, PC, PSI) et tu veux comprendre, une bonne fois, comment poser le bilan sans te tromper ? Réponse directe : tu écris que l'enthalpie du système isolé se conserve — ΔH = 0 — parce que le calorimètre est calorifugé et à pression constante, puis tu développes cette égalité corps par corps. Tout le reste (valeur en eau, incertitudes, erreurs de manip) se greffe sur cette idée. Ce guide te donne la méthode complète, les trois manipulations classiques avec leurs calculs chiffrés, le traitement des incertitudes et les erreurs qui plombent une note. Chez Majorant, nos mentors passés par Mines Paris, CentraleSupélec et Polytechnique savent que les points de TP se gagnent autant à la paillasse que dans le cahier.
Qu'est-ce qu'un TP de calorimétrie ?
Réponse directe : la calorimétrie est la partie de la thermodynamique qui mesure les transferts thermiques. Un TP de calorimétrie utilise un calorimètre — une enceinte isolée thermiquement — pour déterminer expérimentalement une capacité thermique, une chaleur latente ou une enthalpie de réaction, à partir de mesures de masse et de température.
Le cœur du dispositif, c'est le calorimètre. Le modèle de paillasse le plus courant est le vase Dewar : un récipient à double paroi de verre, argentée, avec un vide entre les deux parois. Ce vide supprime les transferts par conduction et convection à travers les parois, l'argenture limite le rayonnement, et un couvercle isolant ferme le tout. Un thermomètre (ou une sonde de température) et un agitateur traversent le bouchon.
L'hypothèse fondatrice de tout le TP : le système {calorimètre + son contenu} est isolé thermiquement (adiabatique — il n'échange pas de chaleur avec l'extérieur) et fermé. Comme il est ouvert à l'atmosphère, il évolue aussi à pression constante (P = P_atmosphérique). Retiens ces deux propriétés : ce sont elles qui justifient toute l'écriture qui suit.
Le principe physique : pourquoi on écrit ΔH = 0
Réponse directe : pour une transformation à pression constante sans autre travail que celui des forces de pression, le transfert thermique reçu vaut la variation d'enthalpie : Q_p = ΔH. Comme le calorimètre est calorifugé (Q échangé avec l'extérieur nul), on a ΔH_total = 0. L'enthalpie totale du système se conserve.
C'est LE point que la plupart des élèves ratent. Beaucoup écrivent directement « chaleur cédée = chaleur reçue » sans savoir d'où ça sort. La justification rigoureuse tient en trois pas :
- •Le système {eau + calorimètre + corps introduit} subit une transformation isobare (P constante). Or, à pression constante, le premier principe s'écrit Q_p = ΔH : le transfert thermique s'identifie à la variation d'enthalpie.
- •Le calorimètre est calorifugé : il n'échange pas de chaleur avec l'extérieur, donc Q_p = 0.
- •On en déduit ΔH_total = 0. L'enthalpie étant une fonction d'état extensive, l'enthalpie totale est la somme des enthalpies : Σ ΔH_i = 0.
Il ne reste qu'à exprimer chaque ΔH_i. Pour un corps en phase condensée (liquide ou solide) de masse m et de capacité thermique massique c qui passe de la température T_i à T_f :
Pour un changement d'état à température constante (fusion d'une masse m de glace, par exemple) :
Qu'est-ce que la valeur en eau du calorimètre ?
Réponse directe : la valeur en eau μ du calorimètre est la masse d'eau qui aurait la même capacité thermique que le calorimètre et ses accessoires (vase, agitateur, sonde). On l'utilise pour traiter le calorimètre comme « μ grammes d'eau supplémentaires » dans le bilan.
Le calorimètre lui-même absorbe de la chaleur : ses parois, l'agitateur, la sonde s'échauffent avec le contenu. On note C_cal sa capacité thermique. Plutôt que de manipuler C_cal directement, on l'exprime en équivalent d'eau :
où c_eau = 4185 J·kg⁻¹·K⁻¹ est la capacité thermique massique de l'eau liquide (valeur usuelle ; on rencontre aussi 4180 ou 4186 selon la température). La grandeur μ, homogène à une masse, est la valeur en eau. Concrètement : si μ = 27 g, ton calorimètre se comporte, thermiquement, comme 27 g d'eau ajoutés. Dans tous les bilans, une masse d'eau m dans le calorimètre se remplace donc par (m + μ).
Réponse directe : on utilise la méthode des mélanges. On verse une masse d'eau chaude connue sur une masse d'eau froide connue déjà dans le calorimètre, on relève la température d'équilibre, et le bilan enthalpique donne μ — la capacité thermique de l'eau se simplifiant dans l'équation.
La procédure, étape par étape :
- •
Introduire une masse m₁ d'eau froide dans le calorimètre. Attendre l'équilibre : le calorimètre est alors à la température T₁ de cette eau.
- •
Chauffer une masse m₂ d'eau à une température T₂ nettement supérieure (par exemple 45–50 °C).
- •
Verser rapidement l'eau chaude, fermer, agiter, et relever la température d'équilibre T_f (le maximum atteint).
- •
Écrire ΔH = 0 pour le système {eau froide + calorimètre + eau chaude} :
- •
La capacité thermique c_eau se factorise et disparaît — un des rares cas confortables. On isole μ :
Exemple chiffré. Tu prends m₁ = 200 g d'eau froide à T₁ = 18 °C, m₂ = 200 g d'eau chaude à T₂ = 50 °C, et tu mesures T_f = 33,0 °C. Alors :
Le résultat est cohérent : un petit calorimètre de paillasse a une valeur en eau typique de 15 à 40 g. Vérification de bon sens : sans calorimètre (μ = 0), l'équilibre serait à (18 + 50)/2 = 34 °C ; la valeur en eau « tire » l'équilibre vers le bas (33 °C), ce qui est logique puisqu'une partie de la chaleur sert à réchauffer le calorimètre.
Les trois manipulations classiques de calorimétrie
Une séance de calorimétrie en prépa enchaîne presque toujours ces trois mesures. Le tableau les résume ; les sous-sections détaillent les deux plus riches.
| Manipulation | Ce qu'on mesure | Valeur attendue (ordre de grandeur) |
|---|
| Valeur en eau | μ du calorimètre | 15 à 40 g |
| Capacité thermique d'un métal | c du solide | fer ≈ 450, cuivre ≈ 385, aluminium ≈ 900 J·kg⁻¹·K⁻¹ |
| Chaleur latente de fusion de la glace | L_f | ≈ 334 kJ·kg⁻¹ |
On chauffe un échantillon métallique de masse M dans de l'eau bouillante (il atteint T₂ ≈ 96–100 °C), puis on le plonge rapidement dans le calorimètre contenant m₁ d'eau + valeur en eau μ à la température T₁. Le bilan ΔH = 0 :
d'où :
Exemple chiffré. Un échantillon de fer M = 100 g chauffé à T₂ = 96 °C, plongé dans m₁ = 200 g d'eau + μ = 27 g à T₁ = 18 °C ; on mesure T_f = 21,5 °C. Alors c_métal = (227 × 4,185 × 3,5) / (100 × 74,5) ≈ 4,5 × 10² J·kg⁻¹·K⁻¹, cohérent avec la valeur tabulée du fer (449 J·kg⁻¹·K⁻¹). L'écart relatif à la valeur de référence est le vrai indicateur de la qualité de ta manip.
Mesurer la chaleur latente de fusion de la glace
On introduit un glaçon séché de masse m_g, pris à 0 °C (sorti d'un bain eau + glace à l'équilibre), dans le calorimètre contenant m₁ d'eau + μ à T₁. Deux phénomènes se succèdent : la glace fond à 0 °C (elle absorbe m_g · L_f), puis l'eau de fonte se réchauffe de 0 °C à T_f. Le bilan ΔH = 0 :
d'où :
Exemple chiffré. m₁ = 200 g d'eau + μ = 27 g à T₁ = 25 °C, glaçon m_g = 20 g à 0 °C, T_f mesurée = 16,5 °C. On obtient L_f ≈ (227 × 4,185 × 8,5)/20 − 4,185 × 16,5 ≈ 404 − 69 ≈ 335 kJ·kg⁻¹, à comparer à la valeur tabulée de 334 kJ·kg⁻¹. Le bon accord n'est pas garanti d'avance : c'est la manip la plus sensible aux pertes thermiques et au séchage du glaçon.
Réponse directe : tu combines les incertitudes de type B (résolution du thermomètre et de la balance) et de type A (dispersion sur des mesures répétées), puis tu propages jusqu'au résultat, soit par la formule de propagation, soit par simulation Monte-Carlo, désormais au programme de CPGE.
Les sources d'incertitude d'un TP de calorimétrie :
- •Les températures. Un thermomètre de paillasse a une résolution de 0,1 à 0,5 °C. Or le résultat dépend d'une différence de températures souvent proches (T_f − T₁). Quand on soustrait deux grandeurs voisines, l'incertitude relative sur la différence explose : c'est presque toujours la source dominante en calorimétrie.
- •Les masses. La balance donne ±0,1 g typiquement — contribution en général plus faible.
- •Les pertes thermiques. Ce n'est pas une incertitude aléatoire mais un biais systématique : les pertes font toujours sous-estimer T_f, donc décalent le résultat dans un sens connu. On ne le réduit pas en répétant la mesure ; on le réduit en manipulant vite et en fermant le couvercle.
Pour la propagation, deux voies au programme :
- •Type A / répétition : plusieurs binômes mesurent la même grandeur, on prend la moyenne et l'écart-type expérimental, l'incertitude-type valant s/√n (avec, au besoin, un coefficient de Student).
- •Simulation Monte-Carlo : on tire aléatoirement chaque grandeur d'entrée dans son intervalle d'incertitude, on recalcule le résultat des milliers de fois, et on lit l'écart-type de la distribution obtenue. Un script Python de quelques lignes suffit — c'est exactement le genre d'exploitation qu'on détaille dans notre guide pour utiliser Python en TP de physique.
La méthode complète de calcul et d'écriture des incertitudes (chiffres significatifs, encadrement, comparaison à la valeur de référence) est développée dans comprendre et calculer les incertitudes de mesure : lis-le en parallèle, c'est le compagnon naturel de ce TP.
Les 7 erreurs classiques qui faussent ton TP de calorimétrie
- •Oublier la valeur en eau μ. Le calorimètre absorbe de la chaleur ; l'ignorer fausse tout, surtout avec de faibles masses d'eau.
- •Sous-estimer les pertes thermiques. Couvercle mal fermé, manip trop lente : T_f est sous-évaluée. Remède : agiter, relever le maximum de température, aller vite. Les élèves avancés extrapolent la courbe T(t) pour corriger le refroidissement.
- •Ne pas sécher le glaçon. L'eau de fonte à 0 °C collée au glaçon gonfle la masse « de glace » et fausse L_f. Sèche-le au papier absorbant juste avant de l'introduire.
- •Prendre un glaçon qui n'est pas à 0 °C. Un glaçon sorti du congélateur est à −18 °C : il faut le stabiliser dans un bain eau + glace à l'équilibre, sinon il manque un terme de réchauffement de la glace.
- •Se tromper d'unités de masse. Les masses se pèsent en grammes, mais c_eau = 4185 J·kg⁻¹·K⁻¹ : convertis, ou tu te trompes d'un facteur 1000.
- •Ne pas attendre l'équilibre. Lire T_f trop tôt (avant homogénéisation) ou trop tard (après début du refroidissement) fausse la mesure. L'agitation est indispensable pour définir une température unique.
- •Poser le mauvais bilan. Écrire ΔU = 0 au lieu de ΔH = 0, ou oublier le terme de changement d'état : le squelette du calcul doit être posé avant de manipuler.
Bien rédiger ton compte rendu de calorimétrie
Un TP parfait à la paillasse mais mal rédigé perd la moitié de ses points. Ton compte rendu doit faire apparaître, dans l'ordre :
- •Un schéma légendé du calorimètre (double paroi, agitateur, sonde).
- •Le protocole (masses, températures, matériel) et un tableau de mesures clair.
- •Le bilan enthalpique posé et justifié : « le système est isobare et calorifugé, donc ΔH = 0 », suivi du développement corps par corps.
- •Le calcul avec la relation isolée (μ, c_métal ou L_f).
- •Le résultat avec son incertitude et son écart relatif à la valeur tabulée.
- •Une analyse critique : les pertes thermiques comme biais systématique, la difficulté du séchage, la sensibilité à T_f − T₁.
On reprend précisément cette architecture dans rédiger un compte rendu de TP de physique qui convainc : c'est le réflexe qui transforme une bonne manip en bonne note.
Calorimétrie à l'oral et à l'épreuve pratique des concours
La calorimétrie est un grand classique de l'épreuve de TP de physique aux concours (CCINP notamment) et des oraux. Le jury n'attend pas de virtuosité : il regarde si tu justifies ΔH = 0, si tu penses spontanément à la valeur en eau, si tu estimes l'incertitude et si tu critiques tes pertes thermiques. Autant de points qui se préparent en amont, comme on l'explique dans notre guide sur le TP de physique aux oraux de concours. La calorimétrie apparaît en thermodynamique dès la première année (PCSI, MPSI, PTSI) et se réinvestit en PC, PSI et MP.
FAQ — TP de calorimétrie
Pourquoi écrit-on ΔH = 0 et non ΔU = 0 en calorimétrie ?
Parce que le calorimètre est ouvert à l'atmosphère : la transformation se fait à pression constante. Or, à pression constante, le transfert thermique s'identifie à la variation d'enthalpie (Q_p = ΔH), et non à l'énergie interne. Le calorimètre étant calorifugé, Q_p = 0, donc ΔH = 0. Utiliser ΔU serait rigoureux pour une transformation à volume constant, ce qui n'est pas le cas ici.
C'est quoi la valeur en eau d'un calorimètre ?
C'est la masse d'eau fictive qui aurait la même capacité thermique que le calorimètre et ses accessoires (vase, agitateur, sonde). Notée μ, elle vérifie C_cal = μ·c_eau. Elle permet de traiter le calorimètre comme « μ grammes d'eau supplémentaires » : dans les bilans, une masse d'eau m devient (m + μ). Sa valeur typique est de 15 à 40 g pour un calorimètre de paillasse.
Quelle est la chaleur latente de fusion de la glace ?
La chaleur latente massique de fusion de la glace vaut 334 kJ·kg⁻¹ (soit environ 80 cal·g⁻¹) à 0 °C sous pression atmosphérique. C'est l'énergie qu'il faut fournir pour faire fondre un kilogramme de glace à température constante, sans l'échauffer. En TP, on la mesure en introduisant un glaçon à 0 °C dans le calorimètre et en posant le bilan enthalpique fusion + réchauffement de l'eau de fonte.
Pourquoi mon résultat de calorimétrie est-il toujours un peu faux ?
Presque toujours à cause des pertes thermiques : l'isolation n'est jamais parfaite, une partie de la chaleur fuit vers l'extérieur, ce qui sous-estime la température d'équilibre et décale ton résultat de façon systématique. Les autres causes fréquentes : glaçon mal séché, valeur en eau négligée, ou lecture de température avant l'équilibre. Manipule vite, agite, ferme le couvercle.
Pourquoi la capacité thermique de l'eau se simplifie-t-elle dans le calcul de μ ?
Parce que, dans la détermination de la valeur en eau par la méthode des mélanges, tous les termes du bilan contiennent le même facteur c_eau (eau froide, calorimètre exprimé en équivalent d'eau, eau chaude). En factorisant, c_eau disparaît de l'équation : μ ne dépend que des masses et des températures. C'est l'un des rares calculs de calorimétrie où la valeur exacte de c_eau n'intervient pas.
Cet article est rédigé par l'équipe pédagogique de Majorant — institut de cours particuliers et de stages intensifs fondé par des étudiants de Polytechnique, CentraleSupélec et Mines Paris. Découvrir Majorant →
