Théière en caoutchouc

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Sommaire 1 Présentation de l'expérience 2 Matériel 3 L'expérience 3.1 La manipulation 3.2 Que voit-on ? 4 Explications 4.1 De manière simple 4.2 Questions sans réponses 4.3 Allons plus loin dans l'explication 5 La chaleur : 6 Les modes de transfert thermique 7 Revenons à nos ballons 7.1 Allons encore plus loin dans l'explication 8 Liens avec d'autres expériences 8.1 Expériences sur Wikidébrouillard 8.2 Autres expériences 9 Applications : liens avec le quotidien 10 Catégories

Présentation de l'expérience

Que se passe-t-il si l’on place un ballon gonflé au-dessus d’une flamme ? Le résultat serait-il le même si le ballon était rempli d’eau ?

Matériel

• Bougies
• Allumettes ou briquet
• Ballons en caoutchouc
• Eau

L'expérience

La manipulation

• Préparer deux ballons :

1) un ballon « sans eau » : gonfler un ballon en caoutchouc et le fermer

2)un ballon « avec eau » : introduire de l’eau dans un autre ballon en caoutchouc (à l’aide d’une bouteille ou d’un robinet) avant de le gonfler et de le fermer . Une fois le ballon gonflé, s’assurer que la quantité d’eau au fond du ballon soit suffisante (≈ 1cm).

• Allumer deux bougies

• Placer un cache entre les bougies ou les éloigner suffisamment l’une de l’autre.

• Placer les deux ballons au dessus des bougies .

Que voit-on ?

Les deux ballons n’explosent pas en même temps. Le premier, le ballon « sans eau » éclate après quelques secondes, le deuxième, le ballon « avec eau » éclate après une durée plus longue.

Explications

De manière simple

La chaleur se transmet d’un objet à un autre par conduction. Il y a des matières qui conduisent bien la chaleur et d’autres qui la conduisent mal. Dans le cas de notre expérience, le caoutchouc n’est pas un bon conducteur alors la chaleur ne peut pas se répandre dans le ballon. Toute la chaleur de la flamme reste au petit endroit chauffé par la flamme. Ainsi le caoutchouc fond à cet endroit et le ballon perce.

Lorsqu’il y a de l’eau dans le ballon la chaleur se transmet à l’eau et la chauffe. Le caoutchouc, lui, est refroidit par l’eau et ne perce pas tant qu’il reste de l’eau. Mais attention, la chaleur a d'autres effets : elle chauffe également l'air à l'intérieur du ballon, et cet air se dilate (il prend plus de place) ce qui peut finir par faire tellement gonfler le ballon qu'il explosera quand même. Il ne faut donc pas rester trop longtemps sur la flamme.... Je vous aurai prévenu!

Questions sans réponses

Ici je mets les questions soulevées par l'expérience, qui n'ont pas trouvé de réponses !!

Allons plus loin dans l'explication

La chaleur :

La chaleur est également appelée transfert thermique, c’est un échange d’énergie microscopique entre deux corps. Les situations mettant en jeu un transfert thermique peuvent aboutir à deux phénomènes principaux :

• une augmentation de la température du système
  

Lorsque dans un système, deux corps de températures différentes entrent en contact, la chaleur va aller du plus chaud vers le plus froid, c'est-à-dire que le corps le plus chaud transmet de l’énergie sous forme de chaleur au corps le plus froid. On parle de transfert thermique. La température d’un corps est fonction de l’intensité de l’agitation moléculaire au sein de ce corps : plus l’agitation est élevée, plus la température est grande. Le transfert thermique est en fait dû au transfert de l’agitation thermique entre les molécules qui composent les corps en contact.

• Un changement d’état au sein d’un système

Les modes de transfert thermique

La chaleur a trois façons de se déplacer d’un corps vers un autre : par rayonnement, par conduction et par convection.

Nous allons, ici, nous intéresser aux phénomènes de conduction et de convection qui sont mis en jeu lors de l’expérience.

• Le transfert thermique par conduction

La conduction est un phénomène de transport de l’énergie interne. Elle correspond à une propagation de la chaleur dans un matériau ou d’un corps à un autre en contact physique direct. Les molécules du corps le plus chaud se heurtent entre elles et transmettent leur énergie aux molécules du corps voisin. C’est la transmission de proche en proche de l’agitation thermique La conduction est d’autant plus observable que les mouvements macroscopiques sont inhibés, elles a donc principalement lieu dans les solides. Dans les fluides, la conduction est souvent masquée par le phénomène de convection.

L’allure du transfert thermique est donnée par la loi de Fourier :

Q(point) = - dQ / dt = - |deltaT/deltax|

Avec : dQ / dt  : puissance thermique (en W) // lambda  : conductivité thermique en (W.m-1.K-1)// A  : surface du solide (en m²)// |deltaT/deltax| : gradient spatial des températures (en K.m-1)

La vitesse de propagation du flux de chaleur à travers un corps, sa conductivité thermique (lamda)va dépendre de l’aptitude de ses molécules et de ses électrons à recevoir et transmettre la chaleur. Il y a des matériaux qui ont une conductivité thermique élevée, ils « conduisent » facilement la chaleur. Les matériaux de faible conductivité thermique conduisent difficilement la chaleur et sont utilisés comme isolants.

La liste suivante donne l'ordre de grandeur de la conductivité thermique dans différents corps :

°Gaz à la pression atmosphérique --> 0,006 - 0,18 W.m-1.K-1

°Matériaux isolants-->0,025 - 0,25 W.m-1.K-1

°Liquides non Métalliques-->0,1 - 1,0W.m-1.K-1

°Solides non métalliques-->0,025 - 3W.m-1.K-1

°Liquides métalliques-->8,5 - 85 W.m-1.K-1

°Alliages métalliques-->10 - 150 W.m-1.K-1

°Métaux purs-->20 - 400 W.m-1.K-1

Le caoutchouc a une conductivité de 0.23W.m-1.K-1, il fait donc partie des matériaux isolants, c’est un très mauvais conducteur de chaleur.

• Le transfert thermique par convection

La convection est un mode de transport d'énergie dans lequel l’échange de chaleur s’effectue entre une surface et un fluide mobile à son contact. Ce mode de transfert intéresse les fluides ou la surface d’un solide en contact avec un fluide. Le fluide chauffé en mouvement est le fluide caloporteur, il se déplace des zones chaudes vers les zones froides.

On distingue la convection naturelle dans laquelle les mouvements du fluide sont dus aux variations de masse volumique (par changement de la température) par rapport à la masse volumique du fluide environnant. Bien entendu, c'est par conduction à travers la matière solide que la chaleur arrive à la surface de la paroi et là, le fluide s'échauffe, se dilate, s'allège et s'élève. De nouvelles molécules plus froides remplacent continuellement les molécules ascendantes chaudes. Cela entraîne une agitation permanente du fluide contre la paroi Si la mise en mouvement du fluide est renforcée mécaniquement (ex : par action du vent), on parle de convection forcée.

L’allure du transfert thermique est donnée par la loi de Fourier :

Q(point)= - dQ / dt = - h.A.T∝-Ts|

Avec : dQ / dt  : puissance thermique (en W)// h  : coefficient de transfert de chaleur// A  : aire de contact ( en m²)// T∝  :température du fluide caloporteur// Ts  : température de surface du solide

Revenons à nos ballons

Quand on place le « ballon sans eau » au-dessus d’une flamme, seul le point qui touche la flamme chauffe vraiment car la chaleur ne se répartit pas sur toute la surface du ballon, le caoutchouc ayant une faible conductivité. La température de cette petite zone augmente donc très rapidement et en quelques secondes le caoutchouc fond, ce qui fait éclater le ballon. Ceci est dû au changement d’état solide-liquide du caoutchouc.

Quand on place le ballon « avec eau », le caoutchouc chauffe toujours, mais l'eau qui est à l'intérieur en contact avec le ballon le refroidit. Le caoutchouc transmet une partie de la chaleur qu'il reçoit de la flamme à l'eau, et l'eau chauffe, la chaleur s'y transmettant par convection. L’eau peut chauffer jusqu’à 100°C, à cette température elle change d’état et se transforme en vapeur d’eau. Donc, tant qu'il reste de l'eau à l'état liquide en contact avec le ballon, la température de cette eau n'est pas plus élevée que 100 degrés. La température à laquelle le caoutchouc fond est plus élevée que 100°C : une eau a 100°C suffit donc à refroidir le caoutchouc et à empêcher son éclatement.

Attention! La chaleur a d'autres effets : par exemple elle chauffe également l'air à l'intérieur du ballon, et cet air se dilate. Ceci, ajouté à la place prise par la vapeur d'eau peut finir par faire tellement gonfler le ballon qu'il explosera quand même.

Allons encore plus loin dans l'explication

• Le transfert thermique sur Wikipédia.

Liens avec d'autres expériences

Expériences sur Wikidébrouillard

• Conduction thermique : la chaleur au travers des matériaux
• Laine comme isolant
• Four solaire
• Chauffe eau solaire
• Aluminium et noir dans les équipements solaires
• Verre dans les équipements solaires
• Ballon à air chaud ou froid

Autres expériences

Autres expériences avec le même concept, recherche sur internet (indiquer les liens).

Applications : liens avec le quotidien

• Toutes les méthodes utilisant des ustensiles de cuisson posés sur des réchauds (poêles, casseroles, marmites)
• Aliment en contact direct avec le corps de chauffe, par exemple (grill, plaque à rôtir…).
• Glaçon dans un verre

Catégories

Théière en caoutchouc