L’eau est un mauvais conducteur thermique

Cette fois, le défi est le suivant : dans un tube à essais de quelques centilitres, peut-on faire coexister un glaçon, de l’eau à température normale et de l’eau portée à ébullition ?  Non, direz-vous ? Eh bien… vous avez perdu.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:

L’eau conduit tellement mal la chaleur qu’on peut tout à la fois avoir de la glace au fond d’un tube à essais et faire bouillir le liquide en surface.

Matériel
  • un tube à essais ;

  • de l’eau et un petit morceau de glace ;

  • du fil métallique solide mais flexible pour maintenir la glace dans le tube à essais ;

  • un bec Bunsen.

Montage et réalisation

Maintenir un morceau de glace au moyen du fil métallique dans le tiers inférieur d’un tube à essais, de telle sorte que la glace reste immergée lorsque le tube est rempli d’eau. Remplir d’eau le tube à essais, l’incliner légèrement et faire chauffer le tiers supérieur du tube dans la flamme du bec Bunsen (voir figure 1). On peut alors tenir le tube à essais sans se brûler si on l’attrape par le tiers inférieur (mais on peut aussi utiliser une pince pour maintenir le tube dans la flamme). Au bout d’un certain temps l’eau se met à bouillir dans le haut du tube sans que la glace située au fond ne fonde de manière visible. Cette expérience prouve que l’eau est un très mauvais conducteur de la chaleur.

Une image du tube prise avec une caméra thermique montre bien que les écarts de température entre le sommet et la base du tube restent les mêmes pendant plusieurs minutes, même si on continue à en chauffer le sommet (figure ci-dessous).

Explications

L’eau est un mauvais conducteur thermique. La chaleur fournie par la flamme du bec Bunsen se propage si mal dans l’eau que l’eau située au fond du tube est à peine ré-chauffée, alors que l’eau située en surface est à l’ébullition. Les trois états de l’eau, va-peur, liquide et solide, peuvent donc coexister sur une distance de quelques centimètres.

Lorsqu’on fait bouillir une casserole d’eau, tout le contenu du récipient semble pourtant chauffer à la même vitesse. Ceci est dû aux turbulences qui se créent dans la casserole au cours du chauffage : lorsque la température de la couche d’eau située près du fond s’élève, sa masse volumique diminue ; cette eau chaude devient donc plus légère que celle de la couche voisine, et il en résulte une poussée d’Archimède qui l’entraîne vers le haut du récipient. Bien entendu, l’eau chaude qui s’élève est remplacée par de l’eau plus froide qui est chauffée à son tour, et ainsi de suite. Ce brassage de l’eau dû aux différences de masse volumique au sein du fluide s’appelle mouvement de convection.

C’est la convection qui permet d’homogénéiser la température de l’eau du récipient.

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