Enigma 2 - Livre-cahier - Chapitre 1

Béatrice Loriau-Vandenbroeck Barbara Evrard

Béatrice Loriau-Vandenbroeck Barbara Evrard

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Enigma 2

Auteures : Béatrice Loriau-Vandenbroeck et Barbara Evrard

Couverture : Nor production

Mise en page : Softwin

Illustrations : Marie-Lou Lesage

Dessins scientifiques : WeM

Photos de laboratoire : Ilôt Production

Photos : Barbara Evrard (p. 30 bas, 75 décapeur thermique, 94, 98 bas g et m, 101 bas, 147 b et c, 159, 160 ht, 161 bas, 193, 220, 222, 249 bas, 250, troisième de couverture), Béatrice Loriau-Vandenbroeck (p. 36 ht et m, 65, 89, 90, 93, 96, 98 sablier, 99, 100, 129, 130, 155, 171 bas) et Isabelle Querton-Parloir (p. 287)

Autres photos : Shutterstock, sauf : Daniel F. Valot (Ensemble pour la paix et la justice, p. 106), SOPA Images Limited / Alamy / Imageselect (Thibaut Courtois, p. 110), Laurent Lairys / Agence Locevaphotos / Alamy / Electroniques (Eden Hazard, p. 110), NASA Science Source / Imageselect (astronaute, p. 134), Wikimédia Commons (hémisphères de Magdebourg, p. 172), Wikimédia Commons (Evangelista Torricelli, baromètre à cuvette, p. 174)

Lexique : d’après Wikipédia et Larousse en ligne

Les photocopieuses sont d’un usage très répandu et beaucoup y recourent de façon constante et machinale. Mais la production de livres ne se réalise pas aussi facilement qu’une simple photocopie. Elle demande bien plus d’énergie, de temps et d’argent.

La rémunération des auteurs, et de toutes les personnes impliquées dans le processus de création et de distribution des livres, provient exclusivement de la vente de ces ouvrages.

EditionsVANIN

En Belgique, la loi sur le droit d’auteur protège l’activité de ces différentes personnes.

Lorsqu’il copie des livres, en entier ou en partie, en dehors des exceptions définies par la loi, l’usager prive ces différentes personnes d’une part de la rémunération qui leur est due.

C’est pourquoi les auteurs et les éditeurs demandent qu’aucun texte protégé ne soit copié sans une autorisation écrite préalable, en dehors des exceptions définies par la loi.

L’éditeur s’est efforcé d’identifier tous les détenteurs de droits. Si, malgré cela, quelqu’un estime entrer en ligne de compte en tant qu’ayant droit, il est invité à s’adresser à l’éditeur.

© Éditions VAN IN, Mont-Saint-Guibert – Wommelgem, 2020

Tous droits réservés.

En dehors des exceptions définies par la loi, cet ouvrage ne peut être reproduit, enregistré dans un fichier informatisé ou rendu public, même partiellement, par quelque moyen que ce soit, sans l’autorisation écrite de l’éditeur.

1re édition, 1re réimpression 2022

ISBN 978-90-306-9503-5

D/2020/0078/244

Art. 594077/02

Comment utiliser Enigma ?

Bonjour ! Nous sommes Charlotte et Adrien, nous te souhaitons la bienvenue dans ton nouveau livre-cahier de sciences Enigma !

Nous t’accompagnerons très souvent pour te montrer que les sciences, on en fait tous les jours et c’est chouette ! Bon travail avec Enigma !

L’énigme au service de la démarche scientifique !

Chaque chapitre est constitué de plusieurs activités qui commencent toutes par une mise en situation illustrée par Charlotte et Adrien. Plusieurs questions te seront posées et, avec l’aide de ta classe, tu pourras formuler une énigme. Ensuite, l’investigation va te permettre, sur base d’expérience(s) ou d’étude de documents, de répondre à plusieurs questions et de formuler progressivement la résolution de ton énigme. Tu pourras dès lors confronter cette résolution à tes hypothèses de départ et, le cas échéant, te corriger !

à L’énergie thermique peut être transférée de trois façons différentes o par conduction la matière constitue le support permettant le transfert d’énergie. Les molécules jointives d’un solide transmettent leur mouvement d’agitation de proche en proche. La conduction est généralement associée à l’état solide.

o par convection la matière se déplace en transférant de l’énergie thermique. Les molécules d’un fluide (liquide ou gaz) transmettent leurs mouvements d’agitation (leur énergie) à d’autres régions du fluide. Les liquides et les gaz sont des convecteurs thermiques.

o par rayonnement : tout corps émet des ondes dont la quantité et la nature dépendent de ses propriétés et de sa température. Ces ondes, reçues par un autre corps, peuvent provoquer de l’agitation moléculaire et donc augmenter son énergie thermique.

L’énergie thermique peut être échangée dans le vide ou dans la matière par l’intermédiaire du rayonnement.

à Un conducteur thermique permet le transfert d’énergie thermique par conduction. Généralement, les métaux sont d’excellents conducteurs de la chaleur.

à Un isolant thermique est un corps qui ne permet pas ou pas bien le transfert d’énergie thermique par conduction. Par exemple, le bois, le verre et le plastique conduisent mal la chaleur. L’air immobile est un excellent isolant thermique. Un bon isolant thermique doit o être mauvais conducteur de la chaleur, limiter la conduction ; o être un obstacle aux courants de convection o ne pas se laisser traverser par

de fusion de la glace fondante et comme « cent » la température d’ébullition de l’eau pure à la pression atmosphérique normale. Cet intervalle est divisé en 100 parties égales, d’où le nom de degré centigrade.

Un changement d’état est le passage d’un état physique de la matière à un autre à la suite d’une augmentation ou diminution de l’énergie thermique.

du temps.

La chaleur fournie à un corps pur peut élever sa température ou provoquer un changement d’état.

à La fusion est le passage de l’état solide à l’état liquide à la suite d’un apport d’énergie thermique.

à La solidification est le passage de l’état liquide à l’état solide à la suite d’une perte d’énergie thermique.

73Chapitre 1 L’énergie

Lorsque tu as terminé une activité, complète l’encadré Va à l’essentiel Il te permet de t’approprier la matière en lien avec l’activité. Tu pourras également mettre en pratique les acquis de l’activité au travers des Applications

Et quand tu auras réalisé toutes les activités du chapitre, tu retrouveras la théorie à bien connaître dans l’encadré À retenir. C’est ce que tu dois absolument connaître ! En fin de partie, les Applications globales te permettront de te tester avec des exercices transversaux et de faire face à certains exercices de type CE1D.

Enfin, des Doc + te donneront envie d’aller plus loin ou t’apporteront un éclairage différent sur certaines parties de la matière.

colmatés assureront un faible courant et une bonne circulation de l’eau, et donc une bonne oxygénation des œufs qui y seront enfouis. Après quelques sondages grâce à sa nageoire caudale, la femelle valide le lieu et commence le nettoyage puis le creusement du « nid » qui servira à la dépose. Une fois la frayère prête, la femelle choisit son partenaire en libérant des

La « Malle » regorge d’outils pour t’aider Ton livre-cahier se termine par une Malle à outils, qui regroupe un ensemble de fiches qui te seront utiles tout au long de l’ouvrage.

Des pictos pour mieux structurer les contenus Tu remarqueras que plusieurs pictos apparaissent au fil des pages.

Indique qu’il y a une manipulation ou expérience qui doit être effectuée par toi ou par ton professeur.

Indique que l’activité concerne un rappel de l’enseignement fondamental ou de première année.

Indique que l’exercice concerné est un exercice de dépassement.

Fait référence à la Malle à outils : le chiffre indique le numéro de la fiche que tu dois ou peux utiliser.

Indique un exercice qui te permet de t’entraîner pour ton prochain CE1D.

Indique un dépassement de programme.

Van In, 2020

Un lexique pour les nouveaux termes

Tu rencontreras des termes inscrits en vert et en gras. Ce sont des termes nouveaux pour toi et tu trouveras leur définition dans le lexique en fin d’ouvrage.

Accède à tes vidéos

Tu trouveras, enfin, des QR Codes que tu peux scanner avec ton smartphone ou ta tablette, et qui te donneront accès à des vidéos ! Utilise pour cela l’application « Sésame » pour les scanner et pour les sauvegarder sur ton appareil mobile.

1. Télécharge l’application « Sésame » des Éditions Van In.

2. Scanne le QR Code sur la page : tu auras directement accès à la vidéo !

CE1D

Sommaire

PHYSIQUE

1 L’énergie 10

Introduction 12

1. L’énergie thermique 13

2. L’énergie électrique 82

Applications globales 98

2 Les forces 104

Introduction 106

1. Les forces et leurs effets 107

2. La pression ....................................................................................................................................150

3. La pression atmosphérique 163

Applications globales 178

BIOLOGIE

1 Les vivants transforment l’énergie en milieu aquatique 184

Introduction 186

1. Se nourrir en milieu aquatique 187

2. Les échanges gazeux en milieu aquatique 204

3. Transport des nutriments et du dioxygène 223

4. Les espèces se perpétuent aussi dans le milieu aquatique 237

2 À partir de la puberté, l’être humain est capable de se reproduire 252

Applications globales 279

Malle à outils 289

Lexique 311

Demain sur Mars !

La planète Mars est, depuis quelques temps, l’objectif de la Station spatiale internationale (ISS). C’est la raison pour laquelle les différents thèmes de physique proposés dans ton Enigma 2 seront liés, comme un fil conducteur, dès que cela sera pertinent, à la planète rouge.

Quelques infos intéressantes sur Mars

La distance minimale entre la Terre et Mars est de 55 millions de kilomètres.

Son point le plus haut culmine à environ 27000 mètres, c’est le mont Olympe, qui est le plus grand volcan du Système solaire. Vers l’équateur, il y a aussi de grands canyons avec des dénivelés pouvant atteindre 9700 mètres.

La durée du jour martien est de 24 heures et 40 minutes, très proche de celle de la Terre. Mars possède de l’eau, principalement sous forme de glace.

Il est peut-être possible de cultiver des plantes, qui vont produire du dioxygène (O2) grâce à l’eau, le Soleil et le dioxyde de carbone (CO2) présent dans l’atmosphère martienne.

Comment aller sur Mars ?

EditionsVANIN

Un créneau de lancement d’un engin spatial s’ouvre tous les 26 mois en moyenne, lorsque la Terre est la plus proche de Mars.

Avec la technologie actuelle et dans ce créneau de lancement, le trajet est estimé à 7 mois. Le temps sur place serait d’environ 12 mois puisqu’il faut encore compter sur plus ou moins 7 mois pour le retour.

Mars dans Enigma 2

Comme nous l’avons annoncé plus haut, quand ce sera pertinent, nous ferons une incursion sur la planète rouge à divers endroits du manuel. Ceux-ci seront facilement identifiables par un fil rouge et la planète Mars situés à côté de la partie de texte qui lui est consacrée.

5. Réponds à la question à partir du Doc+ et du texte suivant.

Sur Mars, l’habitat pourrait être constitué de bulles viabilisées couvertes de glace, car la glace protège des radiations solaires.

Il y a sur le sol « martien » des gou res de 300 m de diamètre et de 150 m de profondeur qui peuvent être recouverts d’un toit de glace : cela formerait des villes « igloos ».

Quels seraient les avantages des igloos sur Mars ?

• Confronte ton hypothèse aux résultats de ton investigation.

Tu es prêt e pour l’aventure Enigma commencée il y a un an ? Embarquement immédiat !

Résolution de l’énigme

• Recopie l’énigme et réponds-y à partir de l’investigation.

Va à l’essentiel

• Un thermique permet le transfert d’énergie thermique par conduction. Généralement, les métaux sont d’ conducteurs de la chaleur.

permet conducteurs de la est un ne permet

• Un thermique est un corps qui ne permet pas ou pas bien le transfert d’énergie thermique par conduction. Par exemple, le bois, le verre et le plastique conduisent mal la chaleur. L’air immobile est un isolant thermique.

Applications

1. Pourquoi le chamelier porte-t-il des vêtements en laine lorsqu’il est dans le désert ?

ENIGMA 2 © Éditions Van In, 2020 35Chapitre 1 L’énergie thermique EditionsVANIN

L’énergie1. Savoir-faire

• Énergie thermique

• Modes de transfert de la chaleur : conduction, convection, rayonnement

• Transfert de chaleur

• Bon conducteur de la chaleur et isolant thermique

• Caractéristiques d’un bon isolant thermique

• Objectivité et subjectivité

• Changements d’état : fusion, solidification, vaporisation (évaporation, ébullition), condensation, liquéfaction

• Échelle thermométrique

• Différence entre chaleur et température, palier

• Relation entre deux variables

• Sources et formes d’énergie

• Énergie électrique

• Transformation d’énergie

• Circuit électrique ouvert et fermé

• Bons conducteurs et isolants électriques

• Observer les transferts d’énergie, expérimenter, imaginer un dispositif expérimental, le construire, élaborer un rapport d’expérimentation à communiquer à l’ensemble de la classe

• Comparer les propriétés des divers matériaux à propos du transfert de chaleur, classer ces matériaux en fonction de leur qualité à conduire la chaleur

• Élaborer les concepts de bons et mauvais conducteurs de la chaleur ainsi que ceux d’isolant thermique

EditionsVANIN

• Rechercher diverses matières susceptibles d’être de bons isolants et les tester expérimentalement (conservation du chaud, du froid à l’intérieur d’une enceinte)

• Concevoir ou adopter une procédure expérimentale pour observer différents types de changements d’état, distinguer les phénomènes réversibles des phénomènes irréversibles et les classer

• Utiliser un thermomètre pour repérer l’évolution de la température d’un mélange eau/glace pilée chauffé lentement et faire le lien entre la conception de ce thermomètre par le physicien Celsius et les paliers de fusion de la glace et de l’ébullition de l’eau

• Élaborer une synthèse qui précise les concepts de chaleur et de température, et les relations entre ces deux variables

• Répertorier, à partir d’observations réalisées dans l’environnement, les différentes sources d’énergie thermique utilisées

• Repérer les sources qui proviennent d’une transformation d’énergie électrique et faire le lien avec les modes de transmission de la chaleur

• Identifier l’impact de l’électricité dans la vie de tous les jours par les effets thermiques, mécaniques ou magnétiques que nous pouvons observer dans notre environnement

• Expliquer que l’énergie électrique est le résultat de la transformation d’autres énergies

• Expliquer par des schémas simples l’origine de notre énergie électrique domestique (centrale hydroélectrique, à charbon, au gaz, nucléaire, éolienne…)

• Relever les transformations d’énergie dans différents appareils électriques

• Élaborer une synthèse, illustrée par des exemples, relatant diverses formes d’énergie qui ont l’énergie électrique pour origine

• Rédiger un rapport de manipulations (matériel, schéma du montage, description du fonctionnement, observations, conclusion)

• Classer un échantillonnage de matériaux en bons conducteurs de l’électricité et isolants

• Dans un appareil électrique, repérer les éléments bons et mauvais conducteurs de l’électricité

Table des matières

Introduction 12

1. L’énergie thermique 13

Préconceptions 13

Activité 1 − Chaud donc agité ? 14

Activité 2 − Transfert de la chaleur 19

Activité 3 − Conducteurs et isolants thermiques 31

Activité 4 − Caractéristiques d’un bon isolant thermique 37

Activité 5 − Objectivité et subjectivité 44

Activité 6 − Zéro un jour, zéro toujours ? 49

Activité 7 − Dans tous les états 56

Activité 8 − Énergie, d’où viens-tu ? 66

Activité 9 − Énergie, que deviens-tu ? 73

2. L’énergie électrique 82

Préconceptions 82

Activité 1 − Circuit électrique 83

Activité 2 − Passera, passera pas 92

Applications globales 98

thermique

Introduction

L’énergie est le moteur du monde ! Dans le langage courant, la notion d’énergie est indissociable de la vitalité, du dynamisme, du confort, de la performance.

EditionsVANIN

1. Cite quelques situations où tu as besoin d’énergie.

Dans la Grèce antique, le terme energia était déjà utilisé, il signifiait « force en action ».

2. Cite des exemples d’énergie disponibles sur Terre. Trouve un exemple pour chaque cas.

Chapitre 1 L’énergie thermique Préconceptions

L’énergie thermique, qu’est-ce que cela évoque pour toi ?

Activité 1 Chaud donc agité ?

Mise en situation

• Quelles questions te poses-tu à propos de la situation ?

• Émets une hypothèse.

EditionsVANIN

• Y a-t-il des indices susceptibles d’influencer la situation envisagée ? Si oui, lesquels ?

Énigme

• Formule une énigme à résoudre.

Rappel

1. Comment appelle-t-on les petites particules constitutives de la matière ?

2. Quels sont les trois états de la matière ?

3. Représente ces trois états au niveau moléculaire.

4. Complète le tableau suivant pour l’eau. TempératuresÉtats de la matièreMouvements des molécules

T < 0 °C

0 °C < T < 100 °C T > 100 °C En réalité, quel que soit son état, un corps se caractérise par des molécules en mouvement. Ces mouvements peuvent aller de petites vibrations autour d’une position d’équilibre dans un solide jusqu’à des mouvements très désordonnés à grande vitesse dans les gaz.

Investigation

Voyons, au travers de quelques expériences, le lien entre les mouvements des molécules et l’énergie thermique.

Expérience 1

• Remplis un premier cristallisoir avec de l’eau à 5 °C environ.

• Remplis un second cristallisoir avec de l’eau à 50 °C environ.

• Verse deux gouttes de colorant à la surface de chaque cristallisoir.

1. Qu’observes-tu ?

2. Schématise tes observations.

3. Compare le mouvement des molécules dans les deux cristallisoirs.

EditionsVANIN

4. Que doivent posséder les molécules pour se mettre en mouvement ?

5. Dans quel état l’énergie des molécules est-elle la plus élevée ? Pourquoi ?

L’énergie thermique est l’énergie liée à l’agitation des molécules d’un corps appelée communément chaleur

Plus les molécules sont agitées, plus le corps contient d’énergie thermique.

6. Quelle est la seule source d’énergie reçue sur Terre ?

Sans le Soleil, la Terre serait froide, sombre et sans vie.

7. Quelle(s) forme(s) d’énergie(s) « directe(s) » le Soleil nous envoie-t-il ?

Expérience 2

• Verse de l’eau très chaude dans un verre.

• Verse de la glace pilée dans un second verre.

• Plonge un thermomètre dans chaque verre.

• Relève la température dans chaque verre.

• Relève la température de la classe. Note-la : ………….. °C.

• Laisse reposer pendant 20 minutes.

• Relève à nouveau les températures.

• Complète le tableau suivant.

Verre avec eau chaude

Verre avec de la glace pilée

Température initialeTempérature finale

1. Que constates-tu ?

2. Comment évolue la température du corps le plus chaud ?

3. Comment évolue la température du corps le plus froid ?

4. De quelle température se rapprochent celles des deux liquides ?

5. Explique ce phénomène en évoquant le mouvement des molécules et l’énergie contenue.

• Confronte ton hypothèse aux résultats de ton investigation.

Résolution de l’énigme

• Recopie l’énigme et réponds-y à partir de l’investigation.

Va à l’essentiel

• Le est la seule source d’énergie reçue sur Terre.

• L’énergie thermique, appelée la , est l’énergie liée à l’agitation des molécules d’un corps. Plus elles sont agitées, plus le corps contient de l’énergie thermique.

• La chaleur passe spontanément du corps le plus vers le corps le plus Un équilibre thermique s’établit entre les corps.

Activité 2 Transfert de la chaleur

Mise en situation

• Quelles questions te poses-tu à propos de la situation ?

• Émets une hypothèse.

• Y a-t-il des indices susceptibles d’influencer la situation envisagée ? Si oui, lesquels ?

Énigme

• Formule une énigme à résoudre.

Investigation

Voyons, au travers d’expériences, si l’énergie thermique se transfère et si oui, comment.

Expérience 1 – Transfert de la chaleur dans les solides

• Colle des punaises sur une barre métallique tous les 5 cm avec de la cire de bougie.

• Attache la barre métallique sur un support.

• Pose une source de chaleur en dessous d’une extrémité de la barre et allume-la.

1. Que constates-tu ?

2. Que peux-tu en déduire ?

3. Explique ce qui se passe au niveau moléculaire.

EditionsVANIN

4. Les molécules se déplacent-elles ?

La chaleur s’est propagée par conduction

5. Quelle est la cause de cette propagation de chaleur ?

Expérience 2 – Transfert de la chaleur dans les gaz

• Découpe une spirale dans du papier épais.

• Suspends-la à un bouchon grâce à une épingle à tête et/ou un fil à coudre.

• Place la spirale au-dessus d’une source de chaleur.

1. Que constates-tu ?

2. Sachant que dans l’air chaud, les molécules sont plus espacées que dans l’air froid, compare la masse volumique de l’air chaud à celle de l’air froid.

3. Explique la rotation de la spirale.

La chaleur s’est propagée par convection

Le transfert de chaleur par convection est dû au mouvement de l’air.

Expérience 3 – Transfert de la chaleur dans les liquides

• Prends une bouteille contenant 5 L d’eau froide dont tu as coupé le dessus.

• Mets de l’eau chaude colorée dans un petit flacon en verre.

• Plonge le petit flacon dans le fond de la grande bouteille.

1. Que constates-tu ?

• Rappelle-toi la tour colorée…

2. En fonction de quoi les liquides et objets présents dans la tour colorée se positionnaient-ils ?

3. Qui se positionnait au-dessus ?

4. Qui se positionnait en-dessous ?

• Revenons à l’expérience.

EditionsVANIN

5. Pourquoi l’eau chaude monte-t-elle ?

6. À toi de jouer : adapte la procédure expérimentale en utilisant un glaçon à la place de l’eau chaude.

La tour colorée

7. Que constates-tu ?

8. Quelles sont les causes de ces mouvements ?

9. Explique ce qui se passe au niveau moléculaire.

10. Comment s’est propagée la chaleur ?

Le transfert de chaleur par convection est dû aux mouvements de l’eau.

Expérience 4 – Le thermosiphon

• Remplis le thermosiphon d’eau froide.

• Verse quelques cristaux de permanganate de potassium dans l’entonnoir.

• Chauffe le bras inférieur à l’aide d’une source de chaleur.

1. Que constates-tu ?

2. Que peux-tu en conclure ?

3. Dans quels états de la matière la chaleur peut-elle se transmettre par convection ?

Expérience 5 – Transfert de la chaleur dans le vide

• Place une pompe à vide sur le bureau.

• Relie la pompe à la cloche à vide.

• Pose un thermomètre sous la cloche.

• Place une lampe chauffante au-dessus de la cloche.

• Fais le vide dans la cloche.

• Relève la température toutes les 3 minutes.

Temps (min)

Température (°C)

0 3 6 9

1. Que constates-tu ?

2. Y a-t-il de la matière entre la cloche et le thermomètre ?

La chaleur s’est propagée par rayonnement

3. Imagine un protocole pour vérifier si le transfert de la chaleur se fait par rayonnement pour les trois états de la matière.

Comme un four à micro-ondes

Tout ce qui est chaud émet des ondes, un rayonnement.

Aussi longtemps qu’un rayonnement n’est pas arrêté, il possède de l’énergie. Quand il est arrêté, il libère cette énergie sous forme de chaleur, car ces ondes arrêtées par un autre corps provoquent de l’agitation moléculaire et donc augmentent l’énergie thermique, comme dans un four à micro-ondes.

4. À partir des expériences réalisées, complète le tableau synthétique. SolidesLiquidesGaz Vide Conduction Convection

Rayonnement

• Confronte ton hypothèse aux résultats de ton investigation.

Résolution de l’énigme

• Recopie l’énigme et réponds-y à partir de l’investigation.

L’énergie thermique

Va à l’essentiel

L’énergie thermique peut être transférée de trois façons différentes :

• par : la matière constitue le support permettant le transfert d’énergie.

Les molécules jointives d’un solide transmettent leur mouvement d’agitation de proche en proche tout en ne se déplaçant pas.

La conduction est généralement associée à l’état

• par : la matière se déplace en transférant de l’énergie thermique.

Les molécules d’un fluide (liquide ou gaz), transmettent leurs mouvements d’agitation (leur énergie) à d’autres régions du fluide.

Les et les sont des convecteurs thermiques.

• par : tout corps émet des ondes dont la quantité et la nature dépendent de ses propriétés et de sa température : c’est le . Ces ondes, reçues par un autre corps, peuvent provoquer de l’agitation moléculaire et donc augmenter son énergie thermique.

L’énergie thermique peut être échangée dans le ou dans la par l’intermédiaire du rayonnement.

Applications

1. À partir du matériel suivant (un bécher en pyrex de 250 mL, de l’eau, du sirop, un système de chauffage, un thermomètre, un support), imagine un dispositif expérimental qui montre le phénomène de convection. Construis-le et élabore un rapport d’expérience.

2. Dans chaque cas, détermine le(s) type(s) de transfert de chaleur représenté.

3. Complète le schéma avec les modes de transfert de chaleur qui correspondent.

4. Pour chaque situation, indique s’il s’agit de conduction, de rayonnement ou de convection.

Situations

Charlotte bronze lorsqu’elle se met au Soleil.

L’air conditionné refroidit toute la voiture.

Le fer à souder fait fondre l’étain (métal).

Le four à micro-ondes permet de réchauffer ou de cuire des aliments.

L’eau se met en mouvement pendant la cuisson des pâtes.

Le plat contenant les chicons au gratin me brûle les mains.

Je choisis de cuire le rôti dans un four à air pulsé.

Types de transfert de chaleur

Toute l’eau contenue dans la casserole est bouillante.

dans leurs chaussures.

28 L’énergie EditionsVANIN

Les skieurs mettent des chauffe-pieds en métal bloque le transfert par conduction. Comment se fait le transfert thermique dans ce cas ?

5. La plaque vitrocéramique est moins bonne conductrice thermique que le métal et dans ce cas ?

6. Sur une plancha en fonte, comment se fait le transfert thermique ?

Plancha

Plaque vitrocéramique

7. Quel est le transfert thermique utilisé lorsque tu souffles sur une cuillère de soupe brûlante pour la refroidir plus vite ? Explique.

8. Par quel transfert thermique les carrelages de la terrasse chauffée par le Soleil pendant la journée rejettent-ils la chaleur la nuit ?

9. Pourquoi les radiateurs sont-ils placés en bas des murs dans les pièces d’une maison ?

EditionsVANIN

10. Pourquoi faut-il mettre un joint aux portes des congélateurs verticaux ?

EditionsVANIN

11. Pourquoi, lorsque l’on allume un feu dans un feu ouvert (ou foyer) et que la cheminée est humide et froide, celle-ci refoule ?

Cheminée qui refoule

Congélateurs verticaux

Activité 3 Conducteurs et isolants thermiques

Mise en situation

• Quelles questions te poses-tu à propos de la situation ?

• Émets une hypothèse.

• Y a-t-il des indices susceptibles d’influencer la situation envisagée ? Si oui, lesquels ?

Énigme

• Formule une énigme à résoudre.

Investigation

À l’aide de quelques expériences, différencions les conducteurs des isolants thermiques.

Expérience 1 – Propagation en fonction de la matière

• Place quatre tiges de matières différentes (verre, fer, bois, plastique) dans un bécher en pyrex contenant de l’eau.

• Pour maintenir ces tiges, utilise un carton perforé en quatre points. Il servira de couvercle au bécher.

• Colle une punaire avec de la cire à la même hauteur sur toutes les tiges.

• Pose le bécher au-dessus d’une source de chaleur.

1. Que constates-tu ?

2. Que peux-tu en conclure ?

3. Quel type de transfert thermique est mis en évidence ?

4. Quelle différence fais-tu entre un conducteur et un isolant thermiques ?

5. Cite un isolant thermique et un conducteur thermique.

Expérience 2 – Le conductiscope

• Remplis un bécher en pyrex d’eau chaude.

• Place le « conductiscope » dans l’eau chaude.

1. Que constates-tu ?

2. Que peux-tu en conclure ?

3. Classe les métaux utilisés du meilleur au moins bon conducteur thermique.

Expérience 3 – Propagation dans l’eau

• Mets de l’eau dans un tube à essais en pyrex, à diamètre large.

• Place un glaçon dans le tube, maintiens-le dans le bas du tube avec un morceau de fil métallique.

• Maintiens le tube sur un statif avec une pince de serrage.

• Fais chauffer le tiers supérieur du tube à l’aide d’une source de chaleur.

DOC +

1. Que constates-tu ?

2. Que peux-tu en conclure ?

3. Pourquoi les solides sont-ils meilleurs conducteurs que les fluides ?

4. Pourquoi l’igloo est-il un habitat qui garde la chaleur ?

Il y a 150 000 Inuits vivant dans des igloos en Arctique.

Un igloo est construit avec un matériau froid, dans un environnement froid. Le climat polaire peut varier de 0 °C à –40 °C.

Bien que faits de neige tassée et de neige fraîche, ce sont des endroits qui conservent bien la chaleur. Les espaces entre les blocs de neige doivent être bouchés pour éviter que le vent et le froid n’y pénètrent.

EditionsVANIN

Les igloos

La neige fraîche contient 90 % d’air et 10 % d’eau, et la neige tassée 70 % d’air et 30 % d’eau, c’est pourquoi il est recommandé de le recouvrir régulièrement de neige poudreuse.

Les igloos sont des régulateurs de chaleur. La température à l’intérieur reste stable et supérieure à –1 °C (jusque 16 °C) grâce à la chaleur du corps et, parfois, à un feu de bois.

Une des fonctions d’un bon igloo est d’empêcher l’air de circuler.

Le tunnel à l’entrée est en réalité une des raisons pour laquelle l’igloo reste chaud, car l’air froid de l’extérieur y est immobile et sert d’isolant : c’est un « bouchon thermique ».

Les gaz immobiles sont des bons isolants thermiques.

5. Réponds à la question à partir du Doc+ et du texte suivant. Sur Mars, l’habitat pourrait être constitué de bulles viabilisées couvertes de glace, car la glace protège des radiations solaires.

Il y a sur le sol « martien » des gouffres de 300 m de diamètre et de 150 m de profondeur qui peuvent être recouverts d’un toit de glace : cela formerait des villes « igloos ». Quels seraient les avantages des igloos sur Mars ?

• Confronte ton hypothèse aux résultats de ton investigation.

Résolution de l’énigme

• Recopie l’énigme et réponds-y à partir de l’investigation.

Va à l’essentiel

• Un thermique permet le transfert d’énergie thermique par conduction. Généralement, les métaux sont d’ conducteurs de la chaleur.

• Un thermique est un corps qui ne permet pas ou pas bien le transfert d’énergie thermique par conduction. Par exemple, le bois, le verre et le plastique conduisent mal la chaleur. L’air immobile est un isolant thermique.

Applications

1. Pourquoi le chamelier porte-t-il des vêtements en laine lorsqu’il est dans le désert ?

ENIGMA 2 © Éditions Van In, 2020 35Chapitre 1 thermique par conducteurs de la est un qui permet pas le transfert

L’énergie thermique

2. Quelle est l’utilité de l’épaisse fourrure des ours ?

3. Pourquoi le double vitrage d’une maison est-il plus isolant que le simple ?

4. Pourquoi est-il préférable, pour avoir chaud, de superposer plusieurs vêtements amples plutôt que de mettre un gros pull serré ?

5. Explique pourquoi ce gobelet formé de deux parois en verre séparées par un gaz sec et immobile garde les liquides à leur température de départ plus longtemps.

EditionsVANIN

6. Explique pourquoi ce marchand de mazout du Sud de la France a soudé une tôle à deux centimètres au-dessus de la cuve.

7. Pourquoi le manche des poêles à frire est-il en bois ou en plastique ?

Activité 4 Caractéristiques d’un bon isolant thermique

Mise en situation

• Quelles questions te poses-tu à propos de la situation ?

• Émets une hypothèse.

• Y a-t-il des indices susceptibles d’influencer la situation envisagée ? Si oui, lesquels ?

Énigme

• Formule une énigme à résoudre.

Investigation

Imagine une expérience qui nous permettra de classer quelques matières du meilleur au moins bon isolant thermique.

EditionsVANIN

1. Classe les isolants choisis par efficacité croissante.

2. Quel type de transfert thermique as-tu limité avec cette expérience ?

3. Pourquoi l’air libre (non immobile) est un bon conducteur de la chaleur et l’air immobile un mauvais conducteur ?

• Confronte ton hypothèse aux résultats de ton investigation.

Résolution de l’énigme

• Recopie l’énigme et réponds-y à partir de l’investigation.

Va à l’essentiel

La chaleur se propage d’une zone chaude vers une zone froide. Isoler revient à réduire le plus possible ce déplacement. Pour y arriver, on intercale un isolant thermique entre les deux zones.

Un bon isolant thermique doit :

• être conducteur de la chaleur, limiter la ;

• être un obstacle aux courants de ;

• ne pas se laisser traverser par les ondes, donc empêcher le

Applications

EditionsVANIN

1. Un mur extérieur d’une maison comprend généralement un mur en blocs, un espace et un mur en briques. Quel est l’inconvénient principal de ces murs ? Explique.

2. Les architectes préconisent de mettre un isolant dans les murs. Quel est le principe de ces mousses isolantes ?

béton isolant brique

3. Derrière les radiateurs, tu as déjà certainement vu de fines plaques d’isolant recouvertes d’aluminium. Quelle est l’utilité de cette feuille ?

4. Les conditions pour avoir une convection sont-elles réunies pour qu’elle ait lieu dans une maison ? Quelles sont ces conditions ?

5. À l’aide des deux documents ci-dessous, cite les solutions que l’architecte a trouvées pour éviter au maximum les déperditions de chaleur.

A

–30 %

–16 %

%

%

6. Pourquoi utilise-t-on des maniques pour porter une casserole qui est très chaude ? Si tu devais concevoir des maniques, quel matériau utiliserais-tu ?

7. Réponds aux questions à partir du texte suivant.

Les véhicules spatiaux sont essentiellement construits en alliage d’aluminium pour qu’ils soient les plus légers possible, mais l’aluminium ne résiste pas à des températures supérieures à 660 °C.

Les ingénieurs ont imaginé un système de protection thermique des engins spatiaux. C’est la barrière qui les protège de la chaleur pendant la rentrée atmosphérique, car le véhicule spatial doit résister à des températures supérieures à 1650 °C. Les matériaux employés doivent également résister au grand froid de l’espace, avec des températures pouvant descendre jusqu’à –167 °C environ.

Presque 70 % de la surface de l’engin spatial est protégé de la chaleur par des tuiles en silice appliquées extérieurement sur la carlingue.

a) Quel changement d’état pourrait subir l’aluminium s’il n’était pas protégé par les tuiles ?

b) Si l’engin spatial n’était pas protégé par des tuiles thermiques, quel(s) mode(s) de transfert de chaleur subirait-il ? Justifie.

c) Quelle est l’utilité des tuiles thermiques ?

EditionsVANIN

d) Les tuiles sont-elles un bon isolant thermique ? Justifie à partir des qualités d’un isolant thermique.

Capsule spatiale au retour dans l’atmosphère et tuiles thermiques

8. Pourquoi, les matins où il a gelé, certaines toitures sont givrées et d’autres pas ?

La technique de la tortue chez les manchots

EditionsVANIN

9. Pourquoi les manchots « empereurs » se regroupent-ils en cercle quand il fait très froid ?

La température sur la banquise peut avoisiner –50 °C et les vents atteindre jusqu’à 250 km/h sur la côte, la température ressentie est alors de –200 °C.

Pour conserver leurs œufs au chaud et se protéger du froid, les manchots mâles de la colonie passent l’hiver serrés les uns contre les autres (technique de la tortue) avec les œufs posés sur leurs pattes et recouverts d’un repli ventral. Au sein de cette formation, chaque membre s’appuie sur son voisin. Lorsqu’un membre du groupe décide de se déplacer, le reste du groupe doit se mouvoir pour combler l’espace vide et maintenir, au centre, une température de 30 °C. Des recherches ont montré que les manchots effectuent des petits mouvements de manière régulière, toutes les 30 à 60 secondes. Ils se déplacent de 5 à 10 cm et relaient petit à petit ceux du bord de la formation. Les formations se comportent comme des vagues.

+

10. Quel est le principe de la couette (édredon) ?

Activité 5 Objectivité et subjectivité

Mise en situation

• Quelles questions te poses-tu à propos de la situation ?

• Émets une hypothèse.

• Y a-t-il des indices susceptibles d’influencer la situation envisagée ? Si oui, lesquels ?

Énigme

• Formule une énigme à résoudre.

Investigation

Vérifions, à l’aide d’expériences, si nous ressentons tous la chaleur de la même manière.

Expérience 1 – Les mains

• Prends trois bacs rectangulaires dans lesquels tu pourras plonger tes mains.

• Dans le premier, verse de l’eau chaude.

• Dans le deuxième, verse de l’eau tiède.

• Dans le troisième, verse de l’eau froide.

• Pose une main dans l’eau chaude et l’autre dans l’eau froide.

• Après quelques secondes, place simultanément les deux mains dans le bac du milieu.

1. Que ressens-tu ?

Pourtant, les deux mains sont posées dans le même bac !

2. Que peux-tu conclure de la sensation de chaud ou de froid ?

Subjectif : se dit de ce qui est individuel et susceptible de varier en fonction de chacun.

3. Quel instrument de mesure donnerait une réponse objective ?

Le mot thermomètre provient du grec metron qui signifie mesure et thermos qui signifie chaud.

Expérience 2 – Le thermoscope

EditionsVANIN

• Remplis un erlenmeyer d’eau colorée.

• Glisse un tube fin dans un bouchon perforé.

• Place le bouchon sur l’erlenmeyer.

• Place l’erlenmeyer dans un bécher en pyrex contenant de l’eau très chaude.

1. Que constates-tu ?

2. Quelle sera la température du liquide dans le tube du thermoscope à la fin de l’expérience ?

• Place l’erlenmeyer dans un bécher en pyrex contenant de la glace pilée.

3. Que constates-tu ?

4. Explique le fonctionnement du thermoscope.

5. Que manque-t-il pour que ce soit l’équivalent d’un thermomètre ?

6. Complète les phrases suivantes.

• La chaleur passe toujours du corps vers le corps en contact avec lui.

• L’énergie thermique devient la dans les deux corps en contact.

• Le thermomètre à liquide est basé sur la des liquides sous l’effet de la chaleur.

7. Explique pourquoi les liquides se dilatent lorsque tu leur fournis de l’énergie thermique.

8. Que représente la température au niveau moléculaire ?

EditionsVANIN

9. À partir de tes connaissances, légende le schéma suivant. 42 41 40 39 38 37 36 35

Thermomètre à alcool

10. Explique le fonctionnement du thermomètre à alcool.

Du thermoscope au thermomètre

Au milieu du troisième siècle avant notre ère, Philon de Byzance imagine un appareil qui permet de détecter le réchauffement de l’air. Lorsqu’il place son ballon au Soleil, des bulles d’air sortent du tube, et en le plaçant à l’ombre, de l’eau remonte dans le tube.

Vers 1612, le médecin Santorio de Padoue utilise un appareil semblable au « thermomètre ». Ses malades placent la boule dans la main. En fonction du niveau du liquide dans le tube, il en déduit leur « degré de chaleur ».

Il trace une graduation quand la boule est entourée de neige et une seconde graduation lorsque la boule est chauffée par une bougie. Entre les deux, il gradue en subdivisions égales.

Le thermomètre de Santorio de Padoue Thermoscope

11. Quelle différence y a-t-il entre le thermoscope de Philon de Byzance décrit dans le Doc+ et le thermomètre ?

12. Dans les thermomètres, le tube est fermé. Il n’y a pas d’air au-dessus du liquide coloré. Quel est l’avantage de ce vide ?

• Confronte ton hypothèse aux résultats de ton investigation.

L’expérience de Philon de Byzance

Résolution de l’énigme

• Recopie l’énigme et réponds-y à partir de l’investigation.

Va à l’essentiel

EditionsVANIN

L’instrument de mesure de la température est le La est une grandeur physique qui indique de manière objective l’énergie thermique contenue dans un corps (si un corps est plus ou moins chaud ou froid).

Activité 6 Zéro un jour, zéro toujours ?

Mise en situation

• Quelles questions te poses-tu à propos de la situation ?

• Émets une hypothèse.

• Y a-t-il des indices susceptibles d’influencer la situation envisagée ? Si oui, lesquels ?

Énigme

• Formule une énigme à résoudre.

Investigation

Grâce aux expériences proposées, déterminons comment a été fixé l’étalonnage de nos thermomètres.

Expérience 1 – Les paliers

• Verse de la glace pilée obtenue à partir d’eau déminéralisée dans un tube à essais.

• Placer le tube à essais dans un bécher et mesure la masse totale : m1 = ….............. kg.

• Mets un thermomètre dans la glace pilée.

• Plonge le tout dans un second bécher contenant de l’eau tiède.

• Relève la température toutes les minutes et note-la dans le tableau ci-dessous.

Température (°C)

• À la fin de l’expérience, mesure à nouveau la masse totale du tube à essais, de son contenant

Temps (min)012345678 et du premier bécher : m2 = ….............. kg. thermomètre eautiède glacepilée

linéaire de l’évolution de la température en fonction du temps.

Temps (min)

3. Analyse le graphique.

La température est constante durant tout le changement d’état ; cela se traduit par un « palier » (segment de droite horizontal) sur le graphique. Le suédois Anders Celsius (1701-1744) est un des premiers inventeurs d’une échelle de température.

4. Comment appelle-t-on ce changement d’état ?

5. Ce changement d’état a-t-il lieu grâce à un apport ou un dégagement de chaleur ?

Celsius a choisi comme « zéro » la température de fusion de l’eau pure.

6. À quoi a servi l’énergie thermique fournie avant le palier ?

7. À quoi a servi l’énergie thermique fournie pendant le changement d’état au moment du palier ?

8. À quoi a servi l’énergie thermique fournie après le palier ?

Expérience 2 – À toi de jouer !

• Conçois une procédure expérimentale pour repérer un autre palier lié à un autre changement d’état de l’eau.

• Rédige un rapport d’expérience comprenant un tableau de résultats et un diagramme linéaire.

1. Interprète le diagramme afin de mettre en évidence la relation entre l’apport de chaleur et l’évolution de la température au niveau moléculaire.

étatliquide étatgazeux

2. Quelle valeur a choisi Celsius comme température de référence pour l’ébullition de l’eau ?

L’ébullition est une vaporisation qui se produit au sein d’un liquide à une température précise

3. Quel est le nom de ce changement d’état ?

4. Ce changement d’état se produit-il avec apport ou dégagement de chaleur ?

Celsius a choisi comme référence thermométrique deux points facilement retrouvables comme la fusion de la glace et l’ébullition de l’eau.

Le « 0 » a été choisi comme premier point fixe lors de la fusion de la glace et le « 100 » comme second point fixe pour l’ébullition de l’eau.

Par la suite, l’intervalle 0 – 100 a été divisé en parties égales, c’est pourquoi on parle de degrés centigrades.

ROH S P R OG R A M M E

EditionsVANIN

Et aux États-Unis ?

Le polonais Daniel Fahrenheit (1686-1736) utilise d’abord, pour son thermomètre, un mélange de chlorure d’ammonium et d’eau. Le zéro correspondait à la température de fusion du mélange et le point 100 à la température du corps d’un cheval. Il remplacera ce mélange par de l’alcool et, à partir de 1715, par du mercure.

À pression atmosphérique normale, il observe que la glace fond à 32 ° de son échelle, et que l’eau bout à 212 ° de son échelle.

Cette échelle est utilisée aux États-Unis.

• Confronte ton hypothèse aux résultats de ton investigation.

Résolution de l’énigme

• Recopie l’énigme et réponds-y à partir de l’investigation.

Va à l’essentiel

L’ a comme « 0 » la température de fusion de la glace et comme « 100 » la température d’ébullition de l’eau, au niveau de la mer, à la pression atmosphérique normale.

Un changement d’état est le passage d’un état physique à un autre à la suite d’une ou une de l’énergie thermique.

1. Quelle est la température donnée par chacun des thermomètres ?

2. Réponds à la question après avoir lu le texte suivant.

Les thermomètres à liquide ont des domaines d’utilisation qui dépendent de la température de fusion et d’ébullition du liquide contenu dans le tube. Les liquides habituellement utilisés dans la construction des thermomètres étaient :

Liquide Domaine d’utilisation (°C)

mercure –38 à 350

alcool –80 à 100

Les thermomètres à thermocouples sont des circuits composés de fils de deux métaux différents soudés l’un à l’autre.

Lorsque l’on met les deux bouts de fil à des températures différentes, on obtient une différence de tension électrique en volts entre les extrémités des fils, qui détermine la température.

Ils peuvent mesurer des températures entre –269 °C et 2 300 °C.

Sachant que les écarts de température sur Mars sont, aux Pôles, de –133 °C à 15 °C, et ailleurs sur la planète de –70 °C à 20 °C, quel type de thermomètre les astronautes devront-ils utiliser ? Justifie.

ENIGMA 2 © Éditions Van In, 2020 55Chapitre 1 L’énergie thermique EditionsVANIN

Activité 7 Dans tous les états

Mise en situation

• Quelles questions te poses-tu à propos de la situation ?

• Émets une hypothèse.

• Y a-t-il des indices susceptibles d’influencer la situation envisagée ? Si oui, lesquels ?

Énigme

• Formule une énigme à résoudre.

Investigation

À l’aide de différentes expériences, montrons en quoi l’apport ou la perte de chaleur peut influencer les états de la matière.

Expérience 1 – L’évaporation

• Verse deux gouttes d’éther sur le dos de ta main et la même quantité sur un banc.

• Attends quelques minutes.

1. Que constates-tu ?

2. Où le liquide puise-t-il l’énergie nécessaire au changement d’état ?

3. Pourquoi a-t-il fallu plus longtemps pour le banc ?

• Mets deux gouttes d’eau colorée sur le dos de ta main.

• Attends quelques minutes.

4. Que constates-tu ?

EditionsVANIN

5. Que peux-tu en conclure ?

6. Ce changement d’état se produit-il grâce un apport ou une perte de chaleur ?

7. Ce changement d’état se produit-il à une température précise ? Justifie.

Ce changement d’état s’appelle l’évaporation L’évaporation et l’ébullition sont aussi appelées la vaporisation.

8. Quelle est la différence entre l’évaporation et l’ébullition ?

9. Quels sont les facteurs qui peuvent influencer l’évaporation ?

Linge qui sèche

Expérience 2 – La condensation

• Introduis ta main dans un sac en plastique que tu fermes avec un papier collant (pas sur la peau).

• Attends quelques minutes.

Situation

1.

2. D’où

cette eau

3. Par quel phénomène le liquide apparaît-il sur les parois du sac

depuis

4. Présente, dans l’ordre, la succession des changements d’état intervenant dans cette expérience.

5. Comment appelle-t-on ces changements d’état ?

6. Comment qualifier ces deux changements d’état l’un par rapport à l’autre ?

7. La condensation se produit-elle par perte ou apport de chaleur ?

Expérience 3 – La solidification

• Verse de la glace pilée dans un bécher et ajoutes-y un verre de sel. Ce mélange est dit « réfrigérant ».

• Mélange le tout avec un agitateur.

• Mets un tube à essais (d’un diamètre de 2 à 3 cm) contenant de l’eau déminéralisée au centre du mélange.

• Plonges-y un thermomètre.

• Relève la température toutes les minutes et note-la dans le tableau ci-dessous.

agitateur

ENIGMA 2 © Éditions Van In, 2020 59 mélange réfrigérant (glace+ sel)

déminéralisée

1. Que constates-tu ?

2. Quelle est la température de solidification de l’eau déminéralisée ?

3. Compare cette température avec la température de fusion de la glace.

4. Que peux-tu dire de ces deux changements d’état ?

5. La solidification se produit-elle par apport ou perte de chaleur ?

• Confronte ton hypothèse aux résultats de ton investigation.

Résolution de l’énigme

• Recopie l’énigme et réponds-y à partir de l’investigation.

Va à l’essentiel

La chaleur fournie à un corps pur peut élever sa température ou provoquer un changement d’état.

Lorsque l’on fournit de la chaleur à un corps pur, l’énergie est utilisée pour augmenter l’agitation des particules du corps. La température augmente.

Lorsque l’on arrive à la température de changement d’état et que l’on continue à fournir de la chaleur, les molécules utilisent l’énergie pour s’écarter, diminuer les forces qui les unissent. À ce moment-là, les mouvements d’agitation n’augmentent pas et, donc, la température n’augmente pas.

Un changement d’état est le passage d’un état physique de la matière à un autre à la suite d’une augmentation ou diminution d’énergie thermique.

Pour un corps pur, les changements d’état ont lieu à une température précise. Pendant toute la durée du changement d’état, la température ne varie pas malgré l’apport continu de chaleur, d’énergie thermique.

Lors de tout changement d’état, il y a conservation de la Cette température constante se traduit par un sur le graphique de l’évolution de la température en fonction du temps.

sur le graphique

• La est le passage de l’état liquide à l’état solide à la suite d’une perte d’énergie thermique.

EditionsVANIN

• La (liquéfaction) est le passage de l’état gazeux à l’état liquide à la suite d’une perte d’énergie thermique.

• La est le passage de l’état solide à l’état liquide à la suite d’un apport d’énergie thermique.

• La est le passage de l’état liquide à l’état gazeux avec apport d’énergie thermique. Elle peut se faire de deux manières : o par évaporation : vaporisation qui se produit à la surface libre du liquide à toute température ; facteurs influençant l’évaporation : la surface de contact, la température et l’humidité ambiantes ; o par ébullition : vaporisation qui se produit au sein même d’un liquide à une température déterminée.

est passage l’état l’état suite le est passage l’état solide liquide suite liquide par température température par température

Les changements d’état sont des phénomènes réversibles.

thermique

solidification liquéfaction

Applications

1. Relie chaque diagramme de la température en fonction du temps à l’une des propositions ci-dessous.

Température(°C) Température(°C)

1.

Température(°C) Température(°C)

Temps(min) Temps(min)

2. 5.

Température(°C) Température(°C)

Temps(min) Temps(min)

Temps(min) Temps(min) 4.

3. 6.

62 L’énergie A. La fusion de l’or

B. La solidification du fer

C. Le refroidissement de l’eau dans une casserole D. La fusion suivie de la vaporisation de l’eau E. L’élévation de température du lait F. On fait bouillir de l’eau et puis on la laisse refroidir

2. À La Paz, en Bolivie, ville située à 3700 m d’altitude, des scientifiques font chauffer de l’eau pure. Voici les résultats de leur expérience :

Temps (min)012345678

Température

(°C) 15 30 45 60 75 90 90 90 90

a) Trace le diagramme de la température en fonction du temps.

b) Quelle est la température d’ébullition de l’eau à La Paz ?

c) Quel facteur influence, ici, la température d’ébullition de l’eau ?

3. Voici une série de schémas faits lors de la fusion de la glace. Remets-les dans l’ordre.

3°C0°C 0°C -5°C 4°C -2,5°C

90

4. Après avoir analysé le diagramme de la fusion de la naphtaline, réponds aux questions. 0306090120 240150 270180 300210 330360

Température(°C) Temps(s)

A B C D E F b) Quelle est la température initiale ?

80 70 60 50 40 30 20 10 0

ENIGMA 2 © Éditions Van In, 2020 63Chapitre 1 L’énergie thermique a) Quelle est la température de fusion de la naphtaline ?

c) Quelle est la température après 3 minutes ?

Température(°C)

10 0 –30 –50

2

5. À partir du diagramme de la température en fonction du temps ci-dessous, détermine le(s) état(s) de l’eau aux différents stades. 150 130 110 90 70 50 30 102030405060708090100110120130–10

1

Temps(min)

6. Pourquoi frissonne-t-on lorsque l’on sort de la douche alors qu’il fait chaud dans la salle de bains ?

7. Donne le nom du (ou des) changement(s) d’état dont on parle dans chaque situation.

Situations

Je congèle le jus des citrons.

Les nuages sont gris, il pleut.

Le soudeur réalise une magnifique soudure à l’étain.

Maman coule de la paraffine pour protéger la confiture des moisissures.

La glace au chocolat fond et coule sur mes mains.

Charlotte fait sécher le linge sur une corde.

La banquise fond à cause du changement climatique.

Changement(s) d’état

L’asphalte de la route a fondu pendant la canicule.

Le niveau d’eau de la piscine a diminué pendant l’été.

64 L’énergie Il y a de la buée sur le miroir de la salle de bains après avoir pris une douche.

8. Réponds aux questions à partir du Doc+.

Starship

Le Sud-Africain Elon Musk a présenté son astronef nommé Starship le 28 septembre 2019. Il permettra de réaliser des vols habités vers la Lune et Mars et de revenir sur Terre. Sa structure est en acier, très lourd, qui résiste au froid intersidéral et ne fond qu’à des températures de 1 460 à 1 500 °C.

a) Quel est le désavantage de l’acier ?

b) À quoi correspond la température donnée ?

9. Réponds aux questions.

a) Tous les corps existent-ils dans les trois états de la matière ? Donne un exemple.

b) Qu’arrive-t-il à ces corps lorsqu’ils sont chauffés ?

c) Ce phénomène est-il réversible ?

10. Tous les objets d’une pièce sont-ils à la même température ? Pourquoi n’as-tu pas la même impression lorsque tu touches de la pierre et du bois ?

Activité 8 Énergie, d’où viens-tu ?

Mise en situation

Le changement climatique et l’épuisement des réserves nous font prendre conscience qu’il est temps de changer nos habitudes.

• Quelles questions te poses-tu à propos de la situation ?

• Émets une hypothèse.

• Y a-t-il des indices susceptibles d’influencer la situation envisagée ? Si oui, lesquels ?

Énigme

• Formule une énigme à résoudre.

Investigation

À partir de l’analyse des documents suivants, déterminons les différentes sources et formes d’énergie.

1. Détermine, pour chaque ressource naturelle, l’énergie produite.

2. Cite les différentes énergies induites par le Soleil sur la Terre à partir du texte suivant.

« En réchauffant différemment les continents et les océans, l’air va se déplacer, l’eau va s’évaporer et retomber. Grâce au rayonnement solaire, les plantes font la photosynthèse et poussent. »

3. Le charbon, le pétrole et le gaz naturel constituent les combustibles qui se sont formés par la décomposition des plantes et des animaux morts (biomasse) il y a plusieurs centaines de millions d’années.

Comment appelle-t-on cette énergie ?

4. Quelles énergies sont-elles produites à partir de ces sources d’approvisionnement de la nature qui n’ont pas subi de transformation ?

Chaleur

L’énergie ne peut être détruite, elle est convertie sous une autre forme.

5.

Ces énergies sont-elles utilisables telles quelles ?

Interaction Lune-Terre-Soleil

Minerai d’uranium

Soleil

La Terre et son noyau

8. Voici des schémas de fonctionnement des différentes centrales qui produisent de l’électricité. Détermine les points communs de ces schémas.

alternateur transformateur ligne à haute tension turbine

Centrale hydraulique

Centrale nucléaire alternateur turbine eau froide

enceinte de con nement eau liquide

générateur de vapeur d’eau

Centrale nucléaire

vapeur d’eau

Centrale thermique

ENIGMA 2 © Éditions Van In, 2020 69Chapitre 1 L’énergie thermique turbine alternateur production d’électricité

lac de retenue barrage conduite forcée pompe pompe

pompe eau réacteur

barres de contrôle eau

Expérience – Fonctionnement de la turbine et de l’alternateur

• Connecte une turbine Pelton de démonstration à un alternateur et l’alternateur à une lampe grâce à deux fils de connexion.

• Alimente la turbine par un courant d’eau de façon à la faire tourner.

1. Que constates-tu ?

2. Que peux-tu en conclure ?

3. De quelle autre manière peux-tu faire tourner une turbine ?

4. Reprends les schémas de fonctionnement des différentes centrales et explique comment fonctionnent ces centrales.

• Centrale hydraulique :

• Centrale nucléaire :

EditionsVANIN

• Centrale thermique :

5. Cite d’autres générateurs électriques.

turbine alternateur

6. Quelles sont les formes d’énergie produites par ces générateurs ?

• Confronte ton hypothèse aux résultats de ton investigation.

Résolution de l’énigme

• Recopie l’énigme et réponds-y à partir de l’investigation.

Va à l’essentiel

Une d’énergie désigne un objet ou un phénomène capable de délivrer de l’énergie. Le Soleil et le moteur à combustion sont des d’énergie.

Applications

1. Légende le schéma suivant en indiquant les sources d’énergie.

2. Explique le fonctionnement d’une éolienne.

3. Explique le fonctionnement des hydroliennes.

4. Si Mars a une structure interne semblable à celle de la Terre, quelles seraient les ressources naturelles présentes capables de fournir de l’énergie ?

5. Complète l’organigramme suivant en indiquant les sources d’approvisionnement. Ressources naturelles

Soleil Uranium Interaction Terre-Lune-Soleil

Chaleur de la Terre

Activité 9 Énergie, que deviens-tu ?

Mise en situation

• Quelles questions te poses-tu à propos de la situation ?

• Émets une hypothèse.

• Y a-t-il des indices susceptibles d’influencer la situation envisagée ? Si oui, lesquels ?

Énigme

• Formule une énigme à résoudre.

Investigation

Identifions l’impact des transformations d’énergie dans la vie de tous les jours par les effets que nous pouvons observer dans notre environnement.

1. Détermine les effets de l’électricité dans chacun des cas.

Les disques durs contiennent des aimants.

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2. Quels sont les différents effets de l’énergie électrique ?

3. Identifie la forme d’énergie à l’origine de l’énergie thermique illustrée ci-dessous. Panneaux solaires thermiques Décapeur thermique Braises Geyser

4. Cite une autre forme d’énergie à l’origine de l’énergie thermique.

5. De quoi dépend l’énergie thermique d’un corps ?

6. Ces trois appareils fonctionnent grâce à l’énergie électrique. Chauffage de terrasseCuisinière électrique Sèche-cheveux

a) Sous quelle forme l’énergie électrique est-elle transformée ?

b) Quel mode de transfert de chaleur est utilisé dans les cas présentés ?

c) Justifie tes choix.

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7. Dans les lampes à incandescence, l’énergie électrique transformée donnait 95 % de chaleur et 5 % de lumière. Ces lampes ont été remplacées par des ampoules LED où près des trois-quarts de l’énergie électrique consommée est transformée en lumière. Pourquoi a-t-on abandonné les ampoules à incandescence ?

8. Détermine le transfert d’énergie dans le cas de l’ampoule LED.

9. Y a-t-il eu perte d’énergie ?

10 L’énergie thermique est-elle utile ?

Dans certains cas, l’énergie thermique est de l’énergie « non désirée », c’est une forme d’énergie dégradée.

Voici le modèle d’une chaîne énergétique.

Réservoir Énergie Énergie transformée Énergie perdue

Convertisseur

ConvertisseurUn réservoir d’énergie est un dispositif qui emmagasine de l’énergie et qui permet son utilisation en temps différé.

Réservoir Énergie Énergie transformée

Convertisseur Le convertisseur réalise la conversion d’énergie.

Réservoir Énergie Énergie transformée Énergie perdue

11. Construis la chaîne énergétique d’un grille-pain.

Énergie perdue

12. Construis la chaîne énergétique d’une éolienne.

76 L’énergie La flèche indique le transfert d’énergie.

• Confronte ton hypothèse aux résultats de ton investigation.

Résolution de l’énigme

• Recopie l’énigme et réponds-y à partir de l’investigation.

Va à l’essentiel

Tout dispositif technique en fonctionnement est le siège de transformations au cours desquelles l’énergie se

L’énergie peut se transformer d’une forme en une autre L’énergie ou calorifique est l’énergie liée à l’agitation des molécules. L’énergie est l’énergie liée à un courant électrique.

Applications

1. Relève les transformations d’énergie dans les appareils électriques suivants :

• dynamo vélo :

• radiateur électrique :

• gaufrier :

• ventilateur :

• lecteur MP3 :

• ordinateur :

• télévision :

• ampoule :

2. Lors du décollage d’une fusée, les moteurs consomment énormément de carburant (ergol) pour lui donner une vitesse suffisante et pour lui faire prendre de l’altitude.

a) Quelle forme d’énergie est stockée dans le carburant ?

b) Quelle est la forme d’énergie reçue par les moteurs ?

c) Quelle est la forme d’énergie convertie par les moteurs ?

3. Denis a acheté une trottinette électrique. Il la branche sur une prise pour recharger la batterie. Les panneaux photovoltaïques du toit fournissent l’électricité à la maison. Détermine la chaîne énergétique.

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4. Alexandre a reçu un drone comme cadeau. Ce drone fonctionne sur des batteries. Il va dans le jardin pour le faire voler. Détermine la chaîne énergétique lorsqu’il l’utilise de nuit, car le drone est muni d’un éclairage.

5. Quelle est l’énergie utilisée par ta calculatrice ? Détermine le transfert énergétique.

6. Détermine la chaîne énergétique de ton smartphone éteint que tu es en train de recharger.

7. Cite un (des) transformateur(s) permettant les transferts suivants :

a) É. électrique → É. thermique :

b) É. chimique → É. mécanique :

c) É. musculaire/mécanique → É. mécanique :

d) É. chimique → É. électrique et thermique :

8. Détermine la chaîne énergétique correspondant aux phrases suivantes.

a) Thomas a relié la roue de la cage de son hamster à un alternateur et connecte une lampe pour éclairer son ordinateur.

b) Les panneaux photovoltaïques de la maison fournissent l’électricité nécessaire au fonctionnement des lampes.

9. Invente une chaîne énergétique et trouve un exemple de la vie quotidienne qui y correspond.

10. Quelles sont les transformations d’énergie lorsque tu pédales à vélo pour éclairer la route ?

11. Quelles sont les sources d’énergie présentes sur Mars capables de produire de l’énergie électrique ? Imagine un système pour chacune.

À RETENIR

à Le Soleil est la seule source d’énergie reçue sur Terre.

à L’énergie thermique ou calorifique, appelée chaleur, est l’énergie liée à l’agitation des molécules d’un corps. Plus elles sont agitées, plus le corps contient de l’énergie thermique.

à La chaleur passe spontanément d’un corps le plus chaud vers le corps le plus froid.

Un équilibre thermique s’établit entre les corps.

à L’énergie thermique peut être transférée de trois façons différentes :

o par conduction : la matière constitue le support permettant le transfert d’énergie. Les molécules jointives d’un solide transmettent leur mouvement d’agitation de proche en proche.

La conduction est généralement associée à l’état solide.

o par convection : la matière se déplace en transférant de l’énergie thermique. Les molécules d’un fluide (liquide ou gaz) transmettent leurs mouvements d’agitation (leur énergie) à d’autres régions du fluide. Les liquides et les gaz sont des convecteurs thermiques.

o par rayonnement : tout corps émet des ondes dont la quantité et la nature dépendent de ses propriétés et de sa température. Ces ondes, reçues par un autre corps, peuvent provoquer de l’agitation moléculaire et donc augmenter son énergie thermique. L’énergie thermique peut être échangée dans le vide ou dans la matière par l’intermédiaire du rayonnement.

à Un conducteur thermique permet le transfert d’énergie thermique par conduction. Généralement, les métaux sont d’excellents conducteurs de la chaleur.

à Un isolant thermique est un corps qui ne permet pas ou pas bien le transfert d’énergie thermique par conduction. Par exemple, le bois, le verre et le plastique conduisent mal la chaleur. L’air immobile est un excellent isolant thermique.

Un bon isolant thermique doit :

o être mauvais conducteur de la chaleur, limiter la conduction ;

o être un obstacle aux courants de convection ;

o ne pas se laisser traverser par les ondes, donc empêcher le rayonnement.

à La température est une grandeur physique qui indique de manière objective l’énergie thermique contenue dans un corps. Elle se mesure à l’aide d’un thermomètre.

à Une échelle thermométrique est une échelle graduée permettant de mesurer la température d’un corps.

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à L’échelle Celsius a comme « zéro » la température de fusion de la glace fondante et comme « cent » la température d’ébullition de l’eau pure à la pression atmosphérique normale. Cet intervalle est divisé en 100 parties égales, d’où le nom de degré centigrade.

à Un changement d’état est le passage d’un état physique de la matière à un autre à la suite d’une augmentation ou diminution de l’énergie thermique.

Pour un corps pur, les changements d’état ont lieu à une température précise. Pendant toute la durée du changement d’état, la température ne varie pas malgré l’apport continu de chaleur, d’énergie thermique. Lors de tout changement d’état, il y a conservation de la masse. Cette température constante se traduit par un palier sur le graphique de l’évolution de la température en fonction du temps.

La chaleur fournie à un corps pur peut élever sa température ou provoquer un changement d’état.

à La fusion est le passage de l’état solide à l’état liquide à la suite d’un apport d’énergie thermique.

à La solidification est le passage de l’état liquide à l’état solide à la suite d’une perte d’énergie thermique.

à La condensation (liquéfaction) est le passage de l’état gazeux à l’état liquide à la suite d’une perte d’énergie thermique.

à La vaporisation est le passage de l’état liquide à l’état gazeux. Elle peut se faire de deux manières :

o par évaporation : vaporisation qui se passe à la surface libre du liquide à toute température ;

o par ébullition : vaporisation qui se produit au sein même du liquide à une température donnée.

à Les changements d’état sont des phénomènes réversibles

à Une source d’énergie désigne un objet ou un phénomène capable de délivrer de l’énergie. Le Soleil et le moteur à combustion sont des sources d’énergie.

à Tout dispositif technique en fonctionnement est le siège de transformations au cours desquelles l’énergie se conserve

à L’énergie peut se transformer d’une forme en une autre forme.

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