Expériences

21. Conservation de la chaleur

Objectif : découvrir les récipients qui conservent le mieux la chaleur.

Deux scientifiques dans une base en Antarctique se préparent pour un raid à l'extérieur. Ils font chauffer de l'eau qu'ils emporteront pour pouvoir se préparer du thé lors de leur première halte. Pour conserver de l'eau chaude le plus longtemps possible quel récipient doivent-ils utiliser, et peuvent-ils améliorer les capacités calorifiques d'un récipient en l'enveloppant de ce qu'ils ont sous la main ?

A partir de cette petite histoire nous proposons aux classes de répondre à quatre questions :

Quelle forme de récipient conserve le mieux la chaleur ?
Quelle matière est la plus performante pour garder la chaleur ?
La couleur d'un récipient a-t-elle une influence sur la déperdition de chaleur ?
Comment fabriquer un isolant autour d'un récipient ?

Pour cela les élèves vont tester l'aptitude de divers récipients, tout d'abord maintenus ouverts, à conserver de l'eau chaude. Dans un tel récipient comment la chaleur va s'échapper ?

Par conduction. La chaleur se transmet aux parois du récipient, qui la transportent vers l'extérieur et la dispersent dans l'air ambiant.
Par convection. Au niveau de l'ouverture la chaleur de l'eau se transmet à l'air dont la température est plus basse (convection naturelle si l'air chauffé s'élève, convection forcée si de l'air est soufflé sur la surface).
Par rayonnement. Les parois du récipient perdent de la chaleur sous la forme d'ondes semblables aux rayons du soleil. Le rayonnement d'une surface dépend essentiellement de sa couleur.

Un récipient qui conserve la chaleur doit donc plutôt avoir une ouverture réduite, des parois qui conduisent peu la chaleur et une couleur qui rayonne le moins possible.

Les activités proposées ici doivent être l'occasion pour la classe d'un travail de groupe : réfléchir, se documenter, entrer en relation avec d'autres classes du réseau et expérimenter toutes les idées.

A. Sélection des récipients

Des récipients seront réquisitionnés dans l'école, d'autres seront amenés par les élèves. Ils doivent être de formes, de couleurs et de matériaux différents, avec des ouvertures plus ou moins grandes.

Quelques exemples :

Un vase en verre.
Un pichet en plastique, en terre cuite, en verre.
Un pot doseur en plastique.
Un grand verre en plastique, en carton, en polystyrène.
Des verres et choppes à bière de formes différentes.
Une bouteille en verre, en plastique.
Un saladier en bois, en verre, en plastique.
Une gourde en métal, en plastique.
Une casserole en cuivre, en métal.
Une boite de conserve.
Etc.

Pour cette sélection on peut déjà se poser des questions sur l'utilisation qui est faite habituellement de ces récipients et matériaux. Par exemple, les casseroles de luxe sont en cuivre, c'est donc un très bon conducteur puisque on s'en sert pour chauffer des liquides, mais certainement un matériau médiocre pour conserver la chaleur. Par contre, sur la même casserole le manche est parfois en bois pour ne pas se brûler, c'est peut-être une piste à explorer.

B. Tester les récipients

Une fois tous les récipients rassemblés, évaluez les capacités calorifiques de chacun dans le cas où ils sont maintenus ouverts.

Matériel nécessaire

Divers récipients.

Un verre gradué.

Un thermomètre.

Un réchaud.

Marche à suivre :

Faire chauffer de l'eau (toujours la même quantité) à une température que vous prendrez comme référence pour tous les récipients, par exemple 50°C.
Verser l'eau dans le récipient.
Mesurer la température de l'eau à intervalle de temps régulier, par exemple toutes les minutes.
Faire un graphique de la variation de la température en fonction du temps.

Lorsque toutes les mesures ont été réalisées, comparez les graphiques et classez chaque récipient par ordre d'efficacité dans la conservation de la chaleur.

A partir des résultats de ce travail, les élèves peuvent distinguer la forme la plus adaptée et les meilleurs matériaux. L'activité consistera à rassembler par exemple les résultats des récipients de même forme pour classer les matériaux, ou à mettre en évidence qu'une ouverture trop importante ne permet pas de bien conserver la chaleur même si le matériau est performant. Dans ce sens, fermez les ouvertures de certains récipients et refaites les tests pour montrer la déperdition de chaleur par convection.

La couleur du récipient influe aussi sur sa capacité à garder la chaleur, car elle détermine les pertes par rayonnement. Pour mettre ce phénomène en évidence, comparez les graphiques de récipients identiques mais de couleurs distinctes. Puis, enveloppez les parois d'un des récipients avec des papiers de couleurs différentes (blanc, noir, couleurs vives, papier aluminium, …) et refaites les tests afin de déterminer celle qui engendre le moins de pertes thermiques.

Les élèves ont maintenant répondu aux trois premières questions.

C. Fabriquer un récipient

Comme des explorateurs isolés en Antarctique, les élèves peuvent à présent essayer de fabriquer un récipient ayant une bonne isolation thermique. Pour cela utilisez deux boites de conserve ouvertes, une petite et une grande. Placez la première dans la seconde.

L'activité consiste alors à remplir l'espace entre les deux boites de divers matériaux que l'on pense isolants, à verser de l'eau chaude dans la petite boite et à mesurer comme précédemment la baisse de la température en fonction du temps.

Les élèves peuvent comparer toutes les substances (sable, terre, eau à température ambiante, air, produits alimentaires, papier …) mais il faut aussi les orienter vers des matières qui emprisonnent de l'air (laine, polystyrène) et sont donc réellement isolantes.

Enfin, ils devront fermer le récipient avec un couvercle conduisant peu la chaleur. Des tests thermiques supplémentaires seront donc nécessaires.

D. Le thermos

Le thermos est le récipient référence pour ce qui concerne la conservation de la température d'un liquide (froid ou chaud). Pour terminer, procurez vous en un pour la classe et testez le ouvert puis fermé.

Comme les résultats seront normalement très bons, les élèves devront découvrir son fonctionnement, pour se rendre compte qu'il rassemble en fait les idées qui ont dû ressortir des activités précédentes. En effet, le secret d'un thermos est qu'il est constitué de deux bouteilles en verre imbriquées l'une dans l'autre, séparées par un espace où le vide a été fait créant ainsi une couche très isolante. De plus, afin d'améliorer encore les performances, la bouteille centrale est enveloppée d'un papier en aluminium qui diminue la déperdition de chaleur par rayonnement et le bouchon est fait dans un matériau isolant.