Les expériences du vendredi 28 octobre sont liées aux expériences thermiques qu'on nous a montrées le matin. Elles sont guidées par deux questions:
Question A: Si on prend un matériau d'épaisseur h et que l'on double ensuite cette épaisseur, est-ce que le temps pour atteindre une certaine température double aussi?
Question B: Est-ce que le taux d'humidité d'un matériau influence sa température lorsqu'on le chauffe?
EXPERIENCE A
1) Observations:
On constate que la température monte plus rapidement dans l’échantillon simple. Intuitivement, on s’attend à cela, vu que la chaleur doit traverser une couche d’argile plus épaisse, et met donc plus de temps. Comparons 2 couples de points pour illustrer ceci :
• Pour atteindre environ 33°C, l’échantillon simple met 30 secondes, tandis que l’échantillon double met 90 secondes, soit 3 fois plus de temps.
• Pour atteindre 63°C, l’échantillon simple met 60 secondes, tandis que l’échantillon double met 270 secondes, soit 4,5 fois plus de temps.
On observe également ce qui semble être un plateau de température pour l’échantillon simple. La température stagne aux alentours de 113°C, avec un pic de température de 118°C à t=270 s. Pour l’autre échantillon on n’observe pas ceci. La température semble augmenter de façon linéaire. Il aurait éventuellement fallu attendre plus longtemps pour observer un plateau de température.
2) Explications:
Regardons quelles sont les quantités importantes en jeu pour comprendre le comportement de nos deux échantillons.
D : diffusivité thermique. Il s’agit de la capacité à disperser la chaleur. Elle est la même pour les 2 échantillons d’argile et est de l’ordre de grandeur de 10^(-6) m^2/s.
ρ : masse volumique de l’argile, de l’ordre de 10^3 kg/m^3
λ : conductivité thermique. C’est la capacité à conduire la chaleur. Pour l’argile elle vaut environ 1,28 W/(m*K)
c : capacité thermique. Il s’agit de la capacité à accumuler de l’énergie. Ces grandeurs sont reliées entre elles d’après
On suppose que la température est la même en-dessous des deux échantillons d’argile. Elle est approximativement égale à celle de la bougie, posée juste en-dessous. On sait qu’il devrait y avoir un déphasage thermique d’une part et d’autre de l’échantillon qui vaut
où ω est la fréquence de déphasage, si on a affaire à des variations périodiques de températures. La relation entre le temps de déphasage et l’épaisseur h du matériau est donc linéaire. Théoriquement, si on double l’épaisseur, on devrait donc attendre 2 fois plus de temps avant d’observer la même température dans les 2 échantillons.
Ceci n’est pas ce qu’on observe dans notre expérience, où il faut en général attendre encore plus longtemps pour que l’échantillon double atteigne la température de l’échantillon simple.
Pourquoi?
Ici, on n’a pas utilisé un échantillon d’épaisseur 2h, mais on a pris 2 échantillons h. Quand on les superpose, il reste une fine couche d’air entre les 2 plaques d’argile. L’air a un coefficient de conductivité thermique λ de 0,026 W/(m*K), elle conduit donc la chaleur environ 50 fois moins bien que l’argile. Ceci fait de l’air un bon isolant thermique. C’est certainement lié au caractère isolant de l’air que la température de l’échantillon double monte moins vite que ce à quoi on pourrait s’attendre.
3) Conclusions: On a vérifié qu’il existe un lien direct entre l’épaisseur d’un matériau et la température à sa surface lorsqu’on chauffe avec une source directe. La relation linéaire n’a pas pu être établie ici, en raison de la couche d’air comprise entre les 2 plaques d’argile de l’échantillon double.
EXPERIENCE B
1) Observations:
On constate que l’argile mouillée chauffe moins vite que l’argile humide, qui elle-même chauffe moins vite que l’argile sèche. Au bout d’environ 4 minutes cependant, l’échantillon humide dépasse la température de l’échantillon sec. Ceci correspond à un séchage complet de notre plaque d’argile, qui n’a été que mouillée en surface. L’eau s’est dès lors complètement évaporée au bout de 4 minutes. On observe de nouveau un plateau de température pour l’argile sèche après un certain temps. La température de l’argile mouillée semble augmenter de façon linéaire avec le temps. Elle reste tout le temps inférieure à celle des 2 autres échantillons.
2) Explications:
On doit fournir de l’énergie sous forme de chaleur pour que l’eau contenue dans l’argile s’évapore. Cette chaleur n’est donc pas utilisée pour chauffer la plaque d’argile. Seulement lorsque toute l’eau introduite dans l’argile s’est évaporée, la température de l’échantillon humide peut atteindre celle de l’échantillon sec. On peut faire une analogie avec la température de l’eau lorsqu’on la fait bouillir.
3) Conclusions:
On a montré que l’humidité dans un corps joue un rôle important lorsqu’on le chauffe. Plus un corps est humide (donc plus l’eau a pénétré dans le corps), moins ce corps va chauffer à un temps donné. On peut faire des analogies avec l’eau bouillante qui passe de la phase liquide à la phase gazeuse. Cette analogie pourrait aussi expliquer le palier de température observé à l’expérience A pour l’échantillon simple, et l’expérience B. On pourrait penser que l’eau contenue dans les micropores de l’argile s’évapore lorsqu’on continue de chauffer, ce qui empêche la température d’augmenter jusqu’à ce que toute l’eau se soit transformée en vapeur. A ce moment, on pourrait voir des craquelures ou des fissures à la surface de l’argile, chose qu’on n’a pas observée pendant nos expériences.
Elisabeth NILLES
1) Observations:
On constate que la température monte plus rapidement dans l’échantillon simple. Intuitivement, on s’attend à cela, vu que la chaleur doit traverser une couche d’argile plus épaisse, et met donc plus de temps. Comparons 2 couples de points pour illustrer ceci :
• Pour atteindre environ 33°C, l’échantillon simple met 30 secondes, tandis que l’échantillon double met 90 secondes, soit 3 fois plus de temps.
• Pour atteindre 63°C, l’échantillon simple met 60 secondes, tandis que l’échantillon double met 270 secondes, soit 4,5 fois plus de temps.
On observe également ce qui semble être un plateau de température pour l’échantillon simple. La température stagne aux alentours de 113°C, avec un pic de température de 118°C à t=270 s. Pour l’autre échantillon on n’observe pas ceci. La température semble augmenter de façon linéaire. Il aurait éventuellement fallu attendre plus longtemps pour observer un plateau de température.
2) Explications:
Regardons quelles sont les quantités importantes en jeu pour comprendre le comportement de nos deux échantillons.
D : diffusivité thermique. Il s’agit de la capacité à disperser la chaleur. Elle est la même pour les 2 échantillons d’argile et est de l’ordre de grandeur de 10^(-6) m^2/s.
ρ : masse volumique de l’argile, de l’ordre de 10^3 kg/m^3
λ : conductivité thermique. C’est la capacité à conduire la chaleur. Pour l’argile elle vaut environ 1,28 W/(m*K)
c : capacité thermique. Il s’agit de la capacité à accumuler de l’énergie. Ces grandeurs sont reliées entre elles d’après
D=λ/ρc
On suppose que la température est la même en-dessous des deux échantillons d’argile. Elle est approximativement égale à celle de la bougie, posée juste en-dessous. On sait qu’il devrait y avoir un déphasage thermique d’une part et d’autre de l’échantillon qui vaut
τ=h/√2Dω
Pourquoi?
Ici, on n’a pas utilisé un échantillon d’épaisseur 2h, mais on a pris 2 échantillons h. Quand on les superpose, il reste une fine couche d’air entre les 2 plaques d’argile. L’air a un coefficient de conductivité thermique λ de 0,026 W/(m*K), elle conduit donc la chaleur environ 50 fois moins bien que l’argile. Ceci fait de l’air un bon isolant thermique. C’est certainement lié au caractère isolant de l’air que la température de l’échantillon double monte moins vite que ce à quoi on pourrait s’attendre.
3) Conclusions: On a vérifié qu’il existe un lien direct entre l’épaisseur d’un matériau et la température à sa surface lorsqu’on chauffe avec une source directe. La relation linéaire n’a pas pu être établie ici, en raison de la couche d’air comprise entre les 2 plaques d’argile de l’échantillon double.
EXPERIENCE B
1) Observations:
On constate que l’argile mouillée chauffe moins vite que l’argile humide, qui elle-même chauffe moins vite que l’argile sèche. Au bout d’environ 4 minutes cependant, l’échantillon humide dépasse la température de l’échantillon sec. Ceci correspond à un séchage complet de notre plaque d’argile, qui n’a été que mouillée en surface. L’eau s’est dès lors complètement évaporée au bout de 4 minutes. On observe de nouveau un plateau de température pour l’argile sèche après un certain temps. La température de l’argile mouillée semble augmenter de façon linéaire avec le temps. Elle reste tout le temps inférieure à celle des 2 autres échantillons.
2) Explications:
On doit fournir de l’énergie sous forme de chaleur pour que l’eau contenue dans l’argile s’évapore. Cette chaleur n’est donc pas utilisée pour chauffer la plaque d’argile. Seulement lorsque toute l’eau introduite dans l’argile s’est évaporée, la température de l’échantillon humide peut atteindre celle de l’échantillon sec. On peut faire une analogie avec la température de l’eau lorsqu’on la fait bouillir.
On observe un palier de température à 100°C. C’est la température à
laquelle l’eau bout. L’énergie fournie est utilisée pour changer l’état de
l’eau : elle passe d’une phase liquide à une phase gazeuse.
3) Conclusions:
On a montré que l’humidité dans un corps joue un rôle important lorsqu’on le chauffe. Plus un corps est humide (donc plus l’eau a pénétré dans le corps), moins ce corps va chauffer à un temps donné. On peut faire des analogies avec l’eau bouillante qui passe de la phase liquide à la phase gazeuse. Cette analogie pourrait aussi expliquer le palier de température observé à l’expérience A pour l’échantillon simple, et l’expérience B. On pourrait penser que l’eau contenue dans les micropores de l’argile s’évapore lorsqu’on continue de chauffer, ce qui empêche la température d’augmenter jusqu’à ce que toute l’eau se soit transformée en vapeur. A ce moment, on pourrait voir des craquelures ou des fissures à la surface de l’argile, chose qu’on n’a pas observée pendant nos expériences.
Elisabeth NILLES
