Modèles pour étudier la convection et la conduction

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. sams@ac-montpellier.fr

Ce dispositif permet la réalisation de modèles de conduction et de convection préconisés dans les programmes de terminale S.

 

roche chauffée

 

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.

Chaque kit de modélisation est proposé au tarif de 65 euros. Pour chaque kit commandé, un kit sera offert par le SAMS. Un bon de commande à l’ordre du SAMS, mentionnant le nombre de kits achetés devra parvenir, par fax (04 67 14 84 99) ou par courrier au SAMS (SAMS Lycée Joffre - Allée de la citadelle - 34060 Montpellier cedex 2) avant le 15 juin 2014.

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

 

cuve modélisée

 

- Exemple de résultats obtenus :

résultats conduction

 

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

 

modèle cuve convection

 

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.

Exemple de résultats obtenus :

résultats convection

 

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.

 

colorant1

 

colorant 2

 

colorant 4

 

colorant 11

 

colorant 5

 

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.

schema chauffage roche

 

- Exemple de résultats obtenus avec un échantillon de marbre :

   resultat chauffage roche

 

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.

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