Modèles pour étudier la convection et la conduction
Le SAMS (Service Académique de Matériel Scientifique) propose aux établissements de l’académie de Montpellier un dispositif de modélisation des transferts de chaleur par conduction et par convection.
Ce dispositif permet la réalisation de modèles de conduction et de convection utilisables dans les programmes de première, spécialité SVT et enseignement scientifique.
Chaque kit de modélisation comprend :
- Une cuve munie de deux résistances chauffantes,
- Une alimentation basse tension (15 volts) pour faire manipuler les élèves avec un maximum de sécurité,
- Deux échantillons de roches (granite et marbre) percés,
- Une bougie chauffe plat.
Chaque modèle nécessite l’utilisation de deux thermomètres reliés ou non à un dispositif ExAO de diamètre 6 mm, non fournis dans le kit.
1° - Modélisation de la conduction :
- Durée de la manipulation : 10 minutes.
- Montage : un thermomètre mesure la température de l’eau en surface, l’autre mesure la température en profondeur
La résistance haute chauffe l’eau. L’eau chaude superficielle, moins dense ne peut pas se mélanger à l’eau froide profonde. Le transfert de chaleur s’effectue par conduction (de proche en proche). le gradient de température mesuré entre la surface et la profondeur est important.
2° - Modélisation de la convection :
- Durée de la manipulation : 10 minutes
- Montage : un thermomètre mesure la température de l’eau en surface, l’autre mesure la température en profondeur
La résistance basse chauffe l’eau. L’eau chaude profonde moins dense remonte vers la surface. Le transfert de chaleur s’effectue par transfert de matière. Le gradient de température mesuré entre la surface et la profondeur reste faible.
On peut illustrer le transfert de matière en déposant délicatement un colorant au fond de la cuve. Le courant de convection créé par la résistance "basse" sera alors mis en évidence par les mouvements du colorant.
Remarque : Au début de chaque expérimentation, la température de l’eau est la même en surface et en profondeur. Les différences de températures notées au début de chaque acquisition, entre les deux thermomètres, illustrent les erreurs de mesures liées aux appareils (dispositif ExAO dans ce cas).
3° - Le mode de transfert dans les roches de la croûte terrestre :
- Durée de la manipulation : 10 minutes
- Montage : Un échantillon de roche est chauffé sur une de ses extrémités. Deux thermomètres placés à 2,5 cm dans des trous de même profondeur, enregistrent la température.
- Exemple de résultats obtenus avec un échantillon de marbre :
Le gradient de température entre les deux trous forés à la même profondeur est important. La mise en relation de ces résultats avec ceux obtenus avec les modèles précédents permet d’affirmer que le transfert de chaleur dans les roches (solides) de la croûte continentale se fait par conduction.