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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 ? Editions VAN IN
ENIGMA 2 © Éditions Van In, 2020
Énigme
• Formule une énigme à résoudre.
Investigation
Voyons, au travers d’expériences, si l’énergie thermique se transfère et si oui, comment.
• 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.
4. Les molécules se déplacent-elles ?
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La chaleur s’est propagée par conduction.
5. Quelle est la cause de cette propagation de chaleur ?
• Découpe une spirale dans du papier épais. • Suspends-la à un bouchon grâce à une épingle à tête et/ou un fi l 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.
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• Prends une bouteille contenant 5 L d’eau froide dont tu as coupé le dessus. • Mets de l’eau chaude colorée dans un petit fl acon en verre. • Plonge le petit fl acon 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.
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.
Editions VAN IN
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. • Chauff e le bras inférieur à l’aide d’une source de chaleur. 1. Que constates-tu ?Editions VAN IN 2. Que peux-tu en conclure ? 3. Dans quels états de la matière la chaleur peut-elle se transmettre par convection ?
• 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 chauff ante au-dessus de la cloche. • Fais le vide dans la cloche. • Relève la température toutes les 3 minutes.
1. 2. Temps (min) 0 6 Température (°C) Que constates-tu ? Y a-t-il de la matière entre la cloche et le thermomètre ? 3 Température (°C)Editions VAN IN
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La chaleur s’est propagée par rayonnement.
3. Imagine un protocole pour vérifi er 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.
Solides Liquides Gaz 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. Rayonnement Editions VAN IN Vide
Va à l’essentiel
L’énergie thermique peut être transférée de trois façons diff érentes : • 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 fl uide (liquide ou gaz), transmettent leurs mouvements d’agitation (leur énergie) à d’autres régions du fl uide. Les et les sont des convecteurs thermiques.
10 • 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 chauff age, un thermomètre, un support), imagine un dispositif expérimental qui montre le phénomène de convection. Construis-le et élabore un rapport d’expérience. Editions VAN IN
2. Dans chaque cas, détermine le(s) type(s) de transfert de chaleur représenté. Editions VAN IN 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 réchauff er 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.
Toute l’eau contenue dans la casserole est bouillante. Les skieurs mettent des chauff e-pieds en métal dans leurs chaussures.
5. La plaque vitrocéramique est moins bonne conductrice thermique que le métal et bloque le transfert par conduction. Comment se fait le transfert thermique dans ce cas ?
6. Sur une plancha en fonte, comment se fait le transfert thermique ?
Types de transfert de chaleur
Plaque vitrocéramique Les skieurs mettent des chauff e-pieds en métal dans leurs chaussures. 5. La plaque vitrocéramique est moins bonne conductrice thermique que le métal et bloque le transfert par conduction. Comment se fait le transfert thermique dans ce cas ? Editions VAN IN
Plancha
7. Quel est le transfert thermique utilisé lorsque tu souffl es sur une cuillère de soupe brûlante pour la refroidir plus vite ? Explique.
8. Par quel transfert thermique les carrelages de la terrasse chauff ée 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 ? Editions VAN IN
10. Pourquoi faut-il mettre un joint aux portes des congélateurs verticaux ?
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 ?
Congélateurs verticaux
Cheminée qui refouleEditions VAN IN
