Conduction
Demandez à vos élèves de placer une main sur un tapis et l'autre sur un carreau de céramique. Ils sentiront une différence apparente de température, qui est en fait une différence de conduction de chaleur. Les deux objets sont à la même température de la pièce. Le carreau de céramique conduit plus facilement la chaleur dégagée par notre corps.
Enveloppez, de manière très serrée, une tige de métal à l’aide d’une feuille de papier. Allumez une bougie et donnez la tige de métal à l'élève. Demandez-lui de tenir la tige de métal dans la flamme. Demandez aux élèves de prédire les résultats. La tige devient chaude parce que la chaleur, par le procédé de la conduction, s'est transmise par contact direct de la source à un autre objet (de la bougie, au papier et à la tige de métal). Cependant, la feuille de papier ne s’enflammera pas. Le papier s’enflamme généralement à une température de 233 oC. Le métal doit atteindre cette température avant que le papier puisse prendre en feu. Demandez à chaque élève de tenir un trombone et un bout de bois dans un bécher rempli d'eau très chaude.
Convection
1-Remplissez un grand bol transparent aux trois quarts avec de l'eau glacée. Versez de l'eau chaude mais pas bouillante dans un petit contenant de confiture auquel vous aurez ajouté une poignée faite d'une tige métallique enroulée autour du col. Ajoutez assez de colorant alimentaire à l'eau chaude pour obtenir une solution foncée. Brassez. Plongez le contenant dans le bol d'eau froide, le plaçant le plus rapidement possible au fond du bol. L'eau chaude colorée monte rapidement dans le contenant. L'eau froide près de la surface descend lentement. Vous observez le processus de convection.
Un liquide chaud a une densité moindre que le même liquide quand il est froid. Le liquide chaud a tendance à monter à la surface et à se disperser. Lorsqu'il monte, le liquide chaud transmet une partie de sa chaleur au liquide environnant et se refroidit au contact de celui-ci. Le processus se poursuit jusqu'à ce que tout le liquide atteigne la même température.
2-Faites une démonstration avec une bougie pour permettre aux élèves de se rendre compte qu’on peut placer les doigts près des côtés d’une flamme sans se brûler, ce qui est impossible si on approche la main directement au-dessus de la flamme. La chaleur voyage vers le haut par convection. Étant donnée que l'air est un mauvais conducteur de chaleur, très peu de chaleur est transmise de chaque côté de la flamme.
3-Placez quelques morceaux de glace au fond d’une éprouvette. Avec un peu de laine d’acier, emprisonnez la glace. Remplissez l’éprouvette d’eau froide. Tenez la partie inférieure de l’éprouvette d'une main et approchez la partie supérieure de l’éprouvette dans la flamme d’une chandelle. Demandez aux élèves d’expliquer pourquoi l’eau se met à bouillir à la surface de l’éprouvette alors que la glace ne fond pas. Les élèves devraient comprendre que l’eau est un mauvais conducteur de chaleur et que la convection de la chaleur se fait vers le haut. L’eau bouillante possède une plus petite masse volumique que l’eau froide au fond de l’éprouvette. Donc, l’eau chaude reste dans la partie supérieure de l’éprouvette et la chaleur ne peut être transmise à la glace que par conduction.
Avant de débuter l'expérience,
- donne une description des trois états de la matière:
- formule une hypothèse sur le mouvement des particules d’eau quand elle passe de l’état liquide à l’état gazeux et de l’état gazeux à l’état liquide :
Marche à suivre - On verse 50 ml d’eau dans une canette vide de boisson gazeuse. On fait chauffer le tout sur une plaque chauffante jusqu’à ébullition de l’eau. On retire la canette de la plaque chauffante et on la plonge le haut vers le bas dans une cuvette remplie d’eau glacée. (Vider l’eau de la canette avant de la plonger dans l’eau glacée.)
Pendant que l’eau chauffe
- Qu’arrive-t-il à l’eau?
- Définir la chaleur.
- Pourquoi est-il important de chauffer l’eau?
- Au fur et à mesure que l’eau se réchauffe, qu’arrive-t-il aux particules d’eau?
- Qu’arrive-t-il entre les particules?
Au fur et à mesure que l’eau se refroidit
- Qu’arrive-t-il au contenant?
- Explique pourquoi.
- Quel facteur agit sur le contenant?
- Quelle est la différence entre l'eau au moment de retirer le contenant de la plaque et l'eau maintenant?
- Quel changement se produit dans l'eau pour que cela se produise?
Après l’expérimentation
- Y-a-t-il des différences entre ton hypothèse et ta conclusion? Quelles sont-elles?
- Quelle idée a changé?
- Est-ce que tes observations seraient différentes si tu avais refroidi le contenant en le plaçant dans un bac de glace?
Suivi à la maison
Gonfle un ballon que tu attaches le goulot avec une ficelle. Place le tout au congélateur. Après 30 minutes, observe le ballon et note tes observations. Laisse le ballon au congélateur et vérifie à nouveau après 60 minutes. Note tes observations.
- Qu’est-il arrivé au ballon?
- Comment a-t-il changé de taille?
- De quelle façon le mouvement des particules a-t-il changé de sorte à causer ce changement?
- Les collisions entre les particules ont-elles augmenté, diminué ou demeuré stables?
- Est-ce que le mouvement global des particules a augmenté, diminué ou demeuré stable?
- Qu’arriverait-il si on chauffait le ballon au lieu de le refroidir? Y a-t-il une façon de le vérifier?
Guide de l’enseignant
Cette activité est recommandée pour le module des fluides en 8e année.
Résultats d’apprentissage spécifiques
Connaissances
- Décrire les liens entre la masse, le volume et la masse volumique des solides, des liquides et des gaz, à l’aide du modèle particulaire de la matière.
- Expliquer les effets de changements de température sur la masse volumique des solides, des liquides et des gaz en utilisant le modèle particulaire de la matière.
Habiletés
- Exécuter des procédés qui contrôlent les variables importantes (p. ex. : mesurer le volume d’un ballon baudruche à différentes températures).
- Énoncer une conclusion fondée sur des données expérimentales et expliquer comment les données recueillies appuient ou réfutent une idée initiale.
Concepts scientifiques
Les molécules d’eau liquide, qui subissent une augmentation de température, vont s’agiter de plus en plus rapidement et vont s’éloigner les unes des autres. La masse volumique du liquide va diminuer au fur et à mesure qu’il absorbe de la chaleur et que sa température augmente. Au point d’ébullition, la chaleur va servir à changer l’état de l’eau de liquide à vapeur. L’eau à l’état gaz est alors constituée de molécules libres de se déplacer dans tout le contenant. Les molécules sont espacées de sorte que la masse volumique de la vapeur d’eau est moindre que la masse volumique de l’eau liquide. Cette vapeur d’eau remplace graduellement l’air dans la canette de boisson gazeuse. Les molécules de vapeur frappent les parois de la canette et exercent une pression sur celles-ci. Lorsqu’on plonge la canette dans l’eau glacée, la vapeur d’eau se refroidit, les molécules ralentissent, se rapprochent et s’unissent en raison de leurs forces intermoléculaires pour reformer de l’eau à l’état liquide. La pression exercée sur les parois de la canette diminue et la canette s’affaisse sous l’effet de la pression atmosphérique.
But visé - Le but de ces activités est de te faire découvrir ce qui arrive à la température d’une substance lors d’un changement d’état.
Matériel requis :
- un gobelet de papier
- une lampe à alcool ou une bougie
- une épingle à linge
- de l’eau
Question
Prédis ce qui va arriver si tu chauffes à l’aide d’une lampe à alcool ou d’une bougie un gobelet de papier rempli d’eau.
Essaie-le
Attention! Ne soutiens pas le verre avec ta main. Utilise plutôt l’épingle à linge pour pincer le bord du verre.
Note tes observations
- Avant de chauffer le gobelet
- Pendant que tu chauffes le gobelet et l’eau
- Après
Interprétation des résultats
- Est-ce que ta prédiction était juste ?
- Comment expliques-tu ce que tu as observé ?
- Que va-t-il arriver à la température de l’eau au fur et à mesure que tu chauffes le gobelet ?
- Comment réagissent les particules d’eau pendant que tu chauffes le gobelet?
- Penses-tu que la température de l’eau augmente lorsqu’elle se met à bouillir ?
Tu vas maintenant utiliser la simulation suivante pour comprendre ce qui arrive à la température de l’eau au point d’ébullition :
- Que se passe-t-il dans les molécules d’eau pendant que la température augmente ?
- Lorsque l’eau passe de l’état liquide à l’état gazeux qu’arrive-t-il à sa température ?
- À quoi sert la chaleur lorsque l’eau atteint son point d’ébullition (100 °C)?
Le papier s’enflamme normalement à une température d’environ 230 °C.
- Crois-tu que le gobelet peut s’enflammer tant et aussi longtemps qu’il reste de l’eau dans celui-ci ? Justifie ta réponse.
Question
- Est-ce que certains métaux conduisent mieux la chaleur que d’autres?
- Tu vas vérifier si tous les métaux conduisent également la chaleur en plaçant un peu de cire à l’extrémité de tiges métalliques qui seront chauffées.
Prédiction
- La conductivité thermique mesure la capacité d’une substance à conduire la chaleur.
- En te référant au tableau ci-dessous, peux-tu prédire sur quel métal la cire va commencer à fondre en premier ?
- Sur quel métal la cire va-t-elle fondre en dernier ?
Conductivité thermique des substances métalliques |
|
Métaux |
Conductivité thermique (W/m °C) |
| Acier | 45 |
| Aluminium | 237 |
| Cuivre | 386 |
| Fer | 80 |
| Laiton | 120 |
| Nickel | 91 |
| Plomb | 35 |
| Zinc | 116 |
Matériel
- 5 tiges de métal de même longueur et diamètre
- (acier, aluminium, cuivre, laiton, nickel)
- 1 lampe à alcool
- Allumettes
- Chandelle
- Chronomètre
Procédé
- Faire fondre quelques gouttes de cire de la chandelle sur le bout de la tige en métal.
- Chauffer chaque tige à l’autre extrémité.
- Lorsque la cire commence à fondre, noter le temps.
Résultats
Prépare un tableau qui te permet de recueillir les temps de fonte pour chacun des métaux. N’oublie pas de prévoir plus d’un essai à ton expérience.
Interprétation des résultats
- Sur quel métal la cire a-t-elle commencé à fondre en premier?
- Quel métal semble être le meilleur conducteur de chaleur ? Pourquoi ?
- Quelles variables a-t-on gardées constantes pendant le déroulement de l’expérience ?
- Quelle était la variable indépendante?
- Quelle était la variable dépendante ?
Va plus loin
Fais une recherche qui te permet d’expliquer pourquoi les métaux sont de bons conducteurs de chaleur.
Pistes pour l’enseignant
Les résultats d’apprentissage spécifiques visés par cette activité sont ceux du programme de 7e anné au module de la chaleur.
Connaissances
L’élève doit pouvoir :
- comparer la transmission de la chaleur par conduction, par convection et par radiation.
- expliquer, en utilisant le modèle particulaire de la matière, les différences de capacité thermique de certains matériaux familiers.
Habiletés
L’élève doit pouvoir :
- compiler et afficher des données, manuellement ou par ordinateur, sous divers formats : diagrammes, organigrammes, tableaux, histogrammes, graphiques linéaires et diagrammes de dispersion
- énoncer une conclusion à partir de données expérimentales et expliquer comment les données recueillies appuient ou réfutent une idée initiale.
Attitudes
- L’élève sera encouragé à valoriser l’exactitude, la précision et l’honnêteté.
Quelques explications sur la conductivité thermique
La conductivité thermique est une grandeur physique qui indique le comportement des matériaux lors du transfert de chaleur par conduction. Elle représente la quantité de chaleur transférée par unité de surface et par unité de temps sous un gradient de température. Pour en savoir plus long, l’enseignant peut consulter le site suivant :
Variables à contrôler
- Les tiges de métal doivent avoir la même longueur.
- Les tiges de métal doivent avoir le même diamètre.
- Les gouttes de cire doivent être de dimensions semblables.
- Les tiges de métal doivent aussi avoir la même température initiale. Quand la température augmente, un conducteur perd de sa capacité de conduction.
Prédictions
L’élève devrait pouvoir prédire et vérifier que la goutte de cire prendra moins de temps à fondre sur le cuivre. L’acier sera le métal où la cire va fondre en dernier lieu.