Propriétés physiques
Le cuivre : propriétés physiques
Le cuivre est un métal rouge-orangé, dense, très malléable et excellent conducteur de l'électricité et de la chaleur : c'est pour cela qu'on en fait des fils électriques et des tuyaux d'échangeurs.
Objectifs
- Décrire l'aspect du cuivre et ses propriétés mécaniques (malléabilité, ductilité).
- Mesurer et calculer la masse volumique du cuivre : \(\rho = \dfrac{m}{V}\).
- Mettre en évidence sa conductivité électrique et thermique par des expériences simples.
- Relier chaque propriété à un usage (câblage, échangeurs thermiques, ustensiles).
1. Aspect et propriétés mécaniques
- Couleur : rouge-orangé et brillant quand il est neuf (éclat métallique). À l'air, il se ternit et devient brun ; en milieu humide, il peut se couvrir d'une couche verte (le vert-de-gris), que l'on étudiera en chimie.
- Malléabilité : le cuivre se laisse marteler et aplatir en feuilles sans se briser.
- Ductilité : il se laisse étirer en fils très fins.
- Point de fusion : environ \(1085\ ^{\circ}\text{C}\) (CRC Handbook of Chemistry and Physics) : il faut un four très chaud pour le fondre et le couler.
On étire un morceau de cuivre en un fil très fin sans qu'il casse. Quelle propriété est mise en évidence ?
2. La masse volumique du cuivre
La masse volumique \(\rho\) d'un matériau est la masse d'une unité de volume :
\[ \rho = \frac{m}{V} \]avec \(m\) en grammes (g) et \(V\) en centimètres cubes (\(\text{cm}^3\)), ou \(m\) en kilogrammes et \(V\) en \(\text{m}^3\). Pour le cuivre :
\[ \rho_{\text{cuivre}} = 8{,}96\ \text{g/cm}^3 = 8960\ \text{kg/m}^3 \](valeur du CRC Handbook of Chemistry and Physics). À comparer avec l'aluminium (\(2{,}70\ \text{g/cm}^3\)) et le fer (\(7{,}87\ \text{g/cm}^3\)), même source.
Mesurer le volume d'un solide : le déplacement d'eau
On verse de l'eau dans une éprouvette graduée et on lit le volume initial : 50 mL.
On plonge doucement la pièce de cuivre : le niveau monte à 55 mL, car la pièce prend la place de l'eau.
Le volume de la pièce est la différence des deux lectures : 5 mL, soit 5 cm³.
Exemple résolu 1 : identifier le métal
Nadia pèse la pièce sur une balance : \(m = 44{,}8\ \text{g}\). Avec le volume mesuré ci-dessus, calcule sa masse volumique. Est-ce bien du cuivre ?
Explorer : masse en fonction du volume
La masse est proportionnelle au volume : \(m = \rho \times V\). La droite fixe représente le cuivre (\(\rho = 8{,}96\)). Fais varier \(\rho\) avec le curseur : place-le sur \(2{,}7\) (aluminium) puis \(7{,}9\) (fer) et compare les pentes.
Exemple résolu 2 : masse d'un câble
Un électricien de Ouagadougou installe \(100\ \text{m}\) de fil de cuivre de section \(2{,}5\ \text{mm}^2\). Quelle est la masse de cuivre ? Cherche d'abord.
Voir la solution
Conversion de la section : \(2{,}5\ \text{mm}^2 = 2{,}5 \times 10^{-6}\ \text{m}^2\).
\[ V = L \times S = 100 \times 2{,}5 \times 10^{-6} = 2{,}5 \times 10^{-4}\ \text{m}^3 \] \[ m = \rho \times V = 8960 \times 2{,}5 \times 10^{-4} = 2{,}24\ \text{kg} \]Un objet de volume \(10\ \text{cm}^3\) a une masse de \(27\ \text{g}\). En quoi est-il probablement fait ?
3. Conductivité électrique et thermique
Conductivité électrique
Un matériau est conducteur électrique s'il laisse passer le courant. Le cuivre est l'un des meilleurs conducteurs connus, juste après l'argent, mais beaucoup moins cher : c'est le métal le plus utilisé pour les fils et câbles électriques, les bobinages des moteurs et les pistes des circuits imprimés.
Expérience : on place un échantillon entre deux pinces dans un circuit pile + lampe. Avec un fil de cuivre, la lampe brille ; avec du bois ou du plastique, elle reste éteinte. Légende ce montage.
Conductivité thermique
Le cuivre transmet aussi très bien la chaleur. Expérience : on fixe des petites billes de cire le long d'une tige de cuivre et d'une tige de fer de même taille, puis on chauffe une extrémité. Les billes tombent beaucoup plus vite sur la tige de cuivre : la chaleur y avance plus rapidement.
Usages : échangeurs thermiques (tubes des climatiseurs et des réfrigérateurs, radiateurs de voiture, chauffe-eau solaires), fonds de casseroles, dissipateurs des processeurs d'ordinateur.
flowchart LR A[Ductile] --> B[Fils fins et souples] C[Conducteur electrique] --> D[Cables et bobinages] E[Conducteur thermique] --> F[Echangeurs et casseroles] G[Malleable] --> H[Objets marteles et toles]
Exemple résolu 3 : justifier un choix de matériau
Pourquoi les tubes qui transportent le fluide frigorigène d'un climatiseur sont-ils souvent en cuivre plutôt qu'en plastique ?
Voir la solution
Le rôle de ces tubes est d'échanger de la chaleur entre le fluide et l'air : il faut un très bon conducteur thermique, ce qu'est le cuivre (le plastique est un isolant). De plus, le cuivre est malléable : on peut le cintrer pour former des serpentins sans le casser.
Pourquoi le manche d'une casserole en cuivre est-il souvent en bois ou en plastique ?
Erreurs fréquentes
Récapitulatif
- Le cuivre est rouge-orangé et brillant, malléable et ductile ; il fond vers \(1085\ ^{\circ}\text{C}\).
- Masse volumique : \(\rho = \dfrac{m}{V} = 8{,}96\ \text{g/cm}^3\), mesurée avec une balance et une éprouvette (déplacement d'eau).
- Excellent conducteur électrique (câblage, bobinages) et thermique (échangeurs, casseroles).
- Chaque usage s'explique par une ou plusieurs propriétés physiques.
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