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TP 5 Convection – Conduction et modélisation des flux thermiques dans la TerreGéothermie et propriété thermique de la Terre (2A)

Problématique scientifiqueDans la terre, cohabite deux mécanismes de flux thermiques d’efficacité dif- férente : la conduction et la convection.Peut on mettre en évidence, grâce à un modèle, que la convection est plus efficace et que la densité du milieu influe sur celle-ci ?

Mode opératoire

Avant le TP

Pendant le TP

Résultats et exploitations

Dans une enceinte adaptée, on crée un point chaud en disposant une source de chaleur à différentes hauteurs et :

- on mesure l’évolution des températures aux 4 coins de l’enceinte

- on visualise les flux de colorants dans l’enceinte

Faire le point avec les élèves sur les notions déjà abordées en cours de physique-chimie et la notion de conduction sur les métaux par exemple avec une étoile 4 métaux.

Rappeler aux élèves la structure du manteau de la terre et la notion de gradient géothermique.

Réaliser une première manipulation avec un point chaud en position haute - Remplir l’enceinte d’eau colorée (en bleu)- Fermer l’enceinte à l’aide du couvercle - Positionner la resistance dans l’eau colorée en res-

tant en position haute- En passant par le trou sur le couvercle, ou en

ouvrant celui-ci, poser à l’aide d’une pipette, une grosse goutte de colorant rouge dans le fond de l’enceinte.

- Démarrer la résistance chauffanteObserver les mouvements de colorant pendant 15 minutes. Si possible capturer une image toutes les 2 à 3 mi-nutes à l’aide d’une caméra ou d’un appareil photo.Relever les températures des 2 thermomètres (ou 4 si possible) à la main ou à l’aide d’un système Ex.A.O.

Trucs et astucesIl est possible pendant une manipulation avec le ther-momètre en position basse, de remonter celui-ci pour montrer que les courants s’arrêtent dès que le source de chaleur n’est plus pré-sente.

Après 15 minutes, on constate que quand la résis-tance est en position basse (modélisant les points chauds et les zones de rift du manteau) le déplace-ment de colorant est beaucoup plus important et que la température augmente beaucoup plus vite.

La résistance en position basse crée un flux d’éner-gie fort qui modélise un courant de convection comme dans le manteau avec le gradient géother-mique.

En position haute, il n’y a pas de remontée de ma-tière, le colorant reste au fond. L’augmentation de température est beaucoup plus faible. Il s’agit de flux faibles d’énergie qui correspondent à de la conduction.

Puis réaliser une seconde manipulation avec un point chaud en position basse De la même manière, observer les mouvements de colorant pendant 15 minutes et relever les températures des 2 thermomètres (ou 4 si possible).

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▲ Aspect 15 min après l’introduction du colorant.

▲ Aspect 7 à 8 min après l’introduction du colorant.

▲ Aspect 2 min après l’introduction du colorant.

▲ Aspect 15 min après l’introduction d

▲ Aspect 7 à 8 min après l’introduction du colorant.

Matériel nécessaire Ré-fé-

Ensemble colorant pour convection Réf. 102 156

Solution viscosante 3 L Réf. 107 244

Enceinte convection conduction Réf. 507 056

Caméra rapide Réf. 572 000

Étoile 4 métaux Réf. 253 059

Thermomètre de poche étanche Réf. 251 003

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▲ Aspect 2 min après l’introduction du colorant.

TP 5 Convection – Conduction et modélisation des flux thermiques dans la Terre

Le transfert d‘énergie par convection est plus efficace que le transfert par conduction.

En résumé

Le gradient géothermique dans le manteau crée des courants de flux fort qui sont une source d’énergie qui remonte en surface. Au niveau des dorsales, cette remontée est associée à la production de lithosphère nouvelle.

Cette source d’énergie, dite géothermique, est peu exploitée par l’homme et le prélè-vement éventuel de l’homme serait très faible par rapport à l’ensemble de l’énergie dissipée par cette "machine thermique" que représente la Terre.

Résistance chauffante en position haute Résistance chauffante en position basse

Pour aller plus loin

Il est possible de mesurer les températures en continu à l’aide d’un système Ex.A.O.

Il est également possible de faire la manipu-lation avec une solution de viscosité diffé-rente et de montrer ainsi que le phénomène est plus lent dans une solution plus visqueuse. Pour se faire, remplacer l’eau coloré par de la solution viscosante.

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