Alban du Plessis Atelier 5

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Atelier des talents n°5: transfert de chaleur

Attention de ne pas vous brûler !

Objectifs L’objectif général des ateliers des talents scientifiques est de vous permettre d’aborder les sciences par l’expérimentation. Vous allez donc manipuler un maximum. Les expériences sélectionnées pour ces ateliers sont :

- faciles à mettre en œuvre - reproductibles à la maison (presque toujours) - ludiques

Dans ce cinquième atelier, nous allons mettre en œuvre des expériences portant sur la chaleur et les transferts de chaleur. Rappels Dans un laboratoire vous devez respecter les règles suivantes :

- si vous avez des cheveux longs, attachez les - ne vous déplacez pas sans autorisation - vous devez avoir un comportement calme et responsable - vous ne pourrez quitter la salle que lorsque les paillasses seront propres et le

matériel lavé et rangé Dans ces ateliers, nous allons parfois utiliser du matériel fragile et cher (thermomètre, densimètre, verrerie…), vous devez impérativement manipuler avec soin. Vous ne devez avoir sur votre paillasse que ce polycopié, un crayon et le matériel nécessaire aux expériences, tout le reste doit être rangé au fond de la salle. Tout manquement à ces règles entrainera :

- trois mises en garde - une sanction - une exclusion des ateliers sciences

Rappels

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Les échanges de chaleur se font toujours du corps chaud vers le corps froid. Cela revient à dire qu’on ne peut pas réchauffer un bol chaud en le mettant au réfrigérateur. On rappelle les définitions suivantes :

La conduction thermique est le mode de transfert de chaleur provoqué par une différence de température entre deux régions d'un même milieu ou entre deux milieux en contact sans déplacement appréciable de matière.

Exemple : lorsque l’on se brûle les doigts en touchant une surface chaude.

La convection thermique et un transfert de chaleur accompagné d'un transport de matière à l'état de fluide. Exemple : l’air chauffé par les radiateurs s’élève ; la fumée d’un feu, plus chaude que l’air, s’élève.

Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules. Le transfert de chaleur par rayonnement est le seul possible dans le vide. Exemple : le soleil nous réchauffe par rayonnement (on parle bien des rayons du soleil).

Passons maintenant aux expériences... Expérience 1 : la conduction thermique, le ballon Matériel :

- Un ballon de baudruche ou gant en latex - De l’eau - Une bougie

Protocole : - Mettre un peu d’eau dans le ballon - Gonfler le ballon (ou le gant en latex) et le fermer - Allumer la bougie - Mettre le ballon en contact avec le haut de la flamme (partie du ballon

contenant l’eau) en approchant le ballon par le dessus - Observer

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Schéma : Ballon contenant un peu d’eau Bougie

Figure 1 : ballon au dessus de la flamme Analyse : Pourquoi le ballon n’explose-t-il pas ? ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Expérience 2 : la conduction thermique dans une plaque de cuivre Matériel :

- Une plaque de cuivre fixée à un support à l’une de ses extrémités - 4 ou 5 vis - Une bougie

Protocole : - Coller les vis sur la plaque de cuivre à l’aide de la cire de la bougie en les

espaçant de 2 ou 3 cm - Attendre que la cire durcisse - Fixer la barre sur le support (vis vers le bas) - Placer la bougie à l’autre extrémité de manière à chauffer la plaque de cuivre - Allumer la bougie - Observer - Attention, la plaque reste chaude longtemps !

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Schéma : Poids pour maintenir la plaque Vis collée par de la cire Plaque en cuivre Support Bougie

Figure 2 : conduction de la chaleur dans un métal Analyse : Dans quel ordre tombent les vis ? Pourquoi ? ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Expérience 3 : la convection thermique Matériel :

- Permanganate de potassium en solution (liquide violet) - Eau chaude - Eau froide - Un petit flacon - Un cristallisoir

Protocole : - A l’aide d’un compte gouttes, remplir un petit flacon avec la solution chaude

de permanganate de potassium (attention aux tâches, très fort pouvoir colorant !)

- Remplir le cristallisoir d’eau froide - Introduire délicatement le petit flacon (débouché) et le poser au fond - Observer

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Schéma :

Figure 3 : phénomène de convection dans un liquide Recommencer l’expérience avec maintenant un cristallisoir rempli d’eau chaude et un petit flacon rempli d’une solution de permanganate de potassium froide. Observations : ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Expérience 4 : le rayonnement thermique Matériel :

- Bougie - Vis - Morceau de carton en forme de tube ayant une partie noire et une partie

blanche - Briquet

Protocole : - Coller à l’aide de la cire une vis sur chaque face extérieure du carton au

niveau où se trouvera la flamme de la bougie - Positionner le support (carton) - Allumer la bougie - Protéger des courants d’air - La placer bien au centre du support en prenant bien soin de ne pas bruler le

support ! - Observer quelle vis se détache en premier

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Schéma :

Vis côté blanc Vis côté noir

Figure 4 : phénomène de radiation Analyse : Quelle vis tombe en premier ? Pourquoi ? ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Expérience 5 : la dilatation des métaux Sous l’effet de la chaleur, les métaux se dilatent. Nous allons observer ici ce phénomène en utilisant trois dispositifs : la boule passant dans un anneau, un pyromètre à cadran et un bilame. La boule passant dans un anneau : Prendre la boule métallique et l’anneau froids. Faire passer la boule dans l’anneau. Puis chauffer la boule à l’aide d’un réchaud à gaz. Attention de ne pas vous brûler ! Essayer de nouveau de faire passer la boule dans l’anneau.

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Plonger ensuite la boule dans un bain d’eau froide pour la refroidir. Observations : ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Le pyromètre à cadran : Prendre le pyromètre. Noter la position de l’aiguille puis allumer les brûleurs. Attention de ne pas vous brûler ! Attendre un peu et noter de nouveau la position de l’aiguille. Observations / Analyse : ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Le bilame :

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Prendre un bilame froid et le placer au dessus d’un réchaud à gaz. Attention de ne pas vous brûler ! Observations : ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Explication : Les métaux se dilatent sous l’effet de la chaleur mais tous ne se dilatent pas avec la même amplitude.

Fin de cet atelier