Expériences sur les transferts de chaleur/Mouvement de convection

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Problématique

Le mouvement de convection est, avec le rayonnement et la conduction thermique, un mode de transport de chaleur. Celui-ci a lieu dans un fluide lorsqu’il est chauffé localement. L’effet combiné de la dilation thermique du fluide et de la poussée d’Archimède conduit à la montée du fluide chaud. Ici, la chaleur est transportée par le mouvement du fluide.

Dans cette expérience simple, on cherche à visualiser un mouvement de convection dans un bécher rempli d’eau.

Dispositif expérimental

Schéma du dispositif expérimental

Une couche de quelques millimètre d’encre est déposée au fond d’un bécher de 250 ml. Le fond du bécher est chauffé à la flamme d’une bougie (du type chauffe-plat). La sonde de température, ici un thermocouple, est placée à la verticale de la flamme.

Astuces

• L’encre est injectée au fond du bécher déjà rempli d’eau claire à l’aide d’une seringue ou d’une pipette.
• On peut marquer à l’avance la position de la bougie sur la paillasse, afin de pouvoir la repositionner sous la sonde de température après l’avoir allumée.

Observations

visualisation du mouvement de convection thermique. À gauche de l’image, un bécher d’eau avec une couche d’encre verte, à droite le boitier d’un thermomètre, dont la sonde est visible immergé dans le bécher. En début de film, une bougie est allumée et placée sous le bécher.

• Quelques secondes après qu’on ait placé la bougie allumée sous le bécher, un panache coloré s’élève à la verticale de la flamme.
• Lorsque le sommet de la volute atteint la sonde du thermomètre, on constate une élévation de la température.
• Un fois que la volute a atteint la surface, l’encre s’étale horizontalement, puis retombe en périphérie du récipient.
• Au bout de quelques minutes, le liquide est uniformément coloré.

Interprétation

• Le chauffage local provoque le mouvement de convection avec l’ascension de fluide chaud à la verticale de la flamme et la descente de fluide froid sur les bords du récipient.
• L’élévation de température au passage de la volute met en évidence que le transport de chaleur, qui ici se fait avec un déplacement de matière (à la différence de la conduction thermique).
• Le mouvement de convection naturelle se montre efficace pour homogénéiser le fluide sans avoir recours à un brassage mécanique.

Utilisation en classe de l'expérience

Cette expérience, simple et spectaculaire, permet une visualisation rapide et directe pour introduire le phénomène de convection. On peut noter la similarité de cette observation avec celle de volutes de fumée d’un bâton d’encens ou de papier d'Arménie.