Evolution température : transfert et équilibre thermique

[Aranel53]

Bonjour à toutes et à tous !

Depuis plusieurs années, je fais en 5e une manipulation sur l'évolution de la température d'un objet chaud en contact avec un objet froid.

Je m'étais rendu compte que si on veut pouvoir interpréter les paliers de changements d'états, il faut avoir tracé au préalable des courbes d'évolution de température sans changement d'état...

J'avais préparé ma trace écrite commentée pour un remplaçant donc autant la partager ici.

Je mettrai des détails dès que je sors de conseil de classe !

[Aranel53]

l'idée est de faire sortir les hypothèses d'évolution de la température des deux objets et de les confronter à la réalité.

Et je trouve que c'est assez chouette comme manipulation. L'interprétation est plutôt simple et ça fait faire plusieurs fois de suite le suivi des températures. Et comme ça, ça permet aux élèves d'être au point pour le changement d'état et d'être réellement surpris par le palier.

[Totoro]

très intéressant
tu fais tout ça en une seule séance ?

[Aranel53]

Non, non ! j'ai une séance pour les hypothèses et la première courbe.

D'ailleurs, cette année, j'étais trop juste en temps et ils n'ont fait que l'évolution de la température de l'eau du tube, avec un point au début et un point à la fin pour la température de l'eau du bécher.

Ensuite, une séance pour trouver que ça ne ressemble pas vraiment aux hypothèses... On teste l'inverse, (eau froide dans bécher d'eau chaude) et on remarque que la courbe est presque symétrique.

Troisième séance pour imaginer avec les deux béchers pour tester l'hypothèse de l'influence de la masse d'eau pour tenter d'obtenir une courbe symétrique ressemblant à la première hypothèse... je ne l'ai fait faire qu'une seule fois et je crois que ça fait trop pour des 5e. Deux courbes à suivre c'est déjà bien.

En ensuite on fait le lien avec l'énergie thermique, et on définit le transfert thermique comme étant le phénomène qui permet d'augmenter l'énergie d'un objet et de diminuer l'énergie d'un autre objet qui le touche quand leurs températures sont différentes. Et on remarque juste sans le noter que ce transfert dépend de l'écart de température entre les deux objets, c'est pour ça que les températures changent vite au début et de plus en plus lentement ensuite.

Et donc que l'énergie thermique du premier objet diminue pendant que l'énergie thermique du deuxième objet augmente. Jusqu'à l'équilibre thermique quand les temépratures
sont devenues égales : le transfert thermique s'arrête.

Je trouve que ça fait un ensemble à la fois très sympa manipulatoirement, très poussé conceptuellement mais abordable et cohérent et tout à fait propice aux tests des hypothèses des élèves, c'est plutôt chouette.

[npetit2]

Excellent

[Aranel53]

Merci !

Je force le nombre d'hypothèses à au moins quatre par groupes, histoire d'avoir vraiment presque tous les cas possibles, pour qu'on puisse voir à quoi correspond qui et dans quel cas on aurait c'est courbes.

Et ils remarquent tous à la fin que le fait que les courbes se croisent (qui est une idée que tous les groupes ont au début) "ça parait logique au début car l'eau froide se réchauffe mais par quoi elle serait réchauffée si elle devient plus chaude que l'eau chaude ?" et ils arrivent tous à dire que ça ne marche pas en fait...

Et on arrive bien à l'influence de la masse car les courbes ressemblent aux hypothèse où la température d'un des deux objets de change pas, mais elle change un peu... et si on avait la même masse ? Bref un truc bien complet je trouve !

Et en cherchant si j'avais déjà posté ça ou non, je suis tombé sur un TP de terminale posté ici avec l'exponentielle décroissante pour modéliser l'évolution de température, du coup je me dis que l’équilibre thermique a sa place en collège en tant que visualisation de courbe !
TP loi de refroidissement de Newton

[Aranel53]

ma fiche sur construire un graphique en pièce jointe et la courbe obtenue par mes soins cette année, c'est mieux à cette période de l'année, on a une courbe bien horizontale si la table est à la même température que l'eau !

Mais on aura une descente plus marquée avec l'eau chaude du coup , tiens faudrait que je pense à isoler les béchers de la table avec une serviette !

equilibre-thermique-courbe-1.PNG

[Ben86]

Merci beaucoup pour cette activité, elle est très intéressante et très complète. Je vais sans doute m'en inspirer pour ma prochaine séquence.

Quelques questions :
- Y a-t-il une raison particulière pour utiliser un thermomètre à alcool pour l'eau chaude et un thermomètre digital pour l'eau froide ?
- Les valeurs de température pour l'eau chaude dans le tableau sont données avec une précision de 0,1 °C. Tu as des thermomètres à alcool gradués de 0,1 en 0,1°C ou bien c'est une estimation à la louche lorsque le liquide est entre deux graduations ?
- Concernant les prérequis, est-ce que tu as déjà abordé la notion de molécules avec tes élèves avant de faire cette activité ?

[Aranel53]

- Y a-t-il une raison particulière pour utiliser un thermomètre à alcool pour l'eau chaude et un thermomètre digital pour l'eau froide ?

Je n'ai que 9 thermomètres électroniques, donc je dois utiliser aussi ceux à alcool. Et ils sont munis d'un petit truc qui permet d'éviter qu'il touchent le fond du tube donc à choisir je préfère mettre le thermomètre à alcool dans le tube à essais et l'électronique dans le bécher, mais c'est un peu arbitraire !

- Les valeurs de température pour l'eau chaude dans le tableau sont données avec une précision de 0,1 °C. Tu as des thermomètres à alcool gradués de 0,1 en 0,1°C ou bien c'est une estimation à la louche lorsque le liquide est entre deux graduations ?

Non, non, c'est que les valeurs du tableau, j'ai dû les faire seul avec deux thermomètres électroniques !

- Concernant les prérequis, est-ce que tu as déjà abordé la notion de molécules avec tes élèves avant de faire cette activité ?

Oui, on a les propriétés des états, les molécules, et la définition de température comme étant une mesure de l'agitation désordonnée des molécules (goutte de colorant dans eau chaude et dans eau froide).
On a aussi les différentes formes d'énergie et on a travaillé sur les modifications qui entrainent une augmentation d'une forme d'énergie et une diminution d'une autre forme pour un même objet (de type skateuse phet). Et on aborde là le transfert thermique (conduction) entre deux objets, (( puisqu'il n'y a que la conduction qui soit un transfert thermique en fait la convection c'est un transport plus de la conduction, et le rayonnement, bein c'est du rayonnement. fin de la parenthèse ))

[ppgaza]

Merci pour cette activité qui à l'air très intéressante. Cela permettrait sans doute à mes élèves de mieux comprendre le palier de température lors du changement d'état...
Je me demande quand même comment tu fais pour prendre 2 séances pour cela. Depuis 5 ans, chaque année j'allège ma progression en m'en tenant strictement au programme. Et j'ai l'impression d'être toujours à fond pour boucler. Je sens que c'est néfaste pour la compréhension des élèves (particulièrement ceux qui ont des difficultés en physique). Fais-tu des choix sur certains éléments du programme ? Est-ce que tu pourrais nous partager ta progression ? (ou commenter la mienne ?).
Merci.