TP15 Évolution de la température et transfert de chaleur dans les enveloppes internes de la Terre Dans la lithosphère, la température augmente en moyenne de 30°C/Km. Si cette évolution est linéaire, la température au centre de la Terre serait d’environ 192 000 °C. Or, les géologues estiment qu’elle est située entre 5 000°C et 6 000°C. Objectif de connaissance : La Terre évacue de l’énergie d’origine interne. Des transferts de chaleur s’effectuent des zones profondes vers les zones superficielles par conduction et par convection. Objectif de savoir-faire : Comment réaliser une expérience de modélisation montrant les transferts de chaleurs dans un milieu ? Quelles sont les limites de la modélisation* ? (*La modélisation est la représentation d'un système par un autre, plus facile à appréhender. Il peut s'agir d'un système mathématique ou physique. Le modèle sera alors numérique ou analogique) Question : Comment expliquer l’évolution de la température au sein du globe terrestre ? On cherche à montrer expérimentalement que la convection transfère plus efficacement la chaleur que la conduction. Documents ressources Document 1 Evolution du gradient géothermique et géotherme Document 2 Les modes de transfert thermique Le géotherme est la courbe traduisant l’évolution de la température en fonction de la profondeur. Le gradient géothermique traduit la variation de t° par unité de profondeur soit : < 30°C/km dans la lithosphère 0,5°C/km dans le manteau. La conduction est un transfert de chaleur de proche en proche sans déplacement de matière (ex : le long de la poignée). Ce transfert de chaleur est peu efficace et induit un gradient thermique élevé. La convection est un transfert de chaleur impliquant des déplacements de matière (ex : dans l’eau de la casserole). Ce transfert de chaleur est efficace et induit un gradient thermique très faible. Le rayonnement thermique est lié à une émission d’ondes infrarouges qui a la particularité de se déplacer dans le vide (rayonnement solaire). (ex : le rougeoiement des flammes) Ce phénomène n’est pas observé ici ! Un matériau plus chaud est moins dense que le même matériau plus froid. Les particules chauffées se dilatent, deviennent moins denses et montent vers la surface ; les particules refroidies se contractent, gagnent en densité et plongent en profondeur. Document 3 Diaporama du dossier numérisé Etape A Mise en œuvre du protocole de modélisation des transferts de chaleur par convection et par conduction. Matériel Protocole - bécher de 1000 mL - un thermoplongeur - une potence pour maintenir le thermoplongeur - 2 thermosondes avec interface Labquest et logiciel LoggerPro) - une règle graduée ou mètre ruban - chiffon ou gant - Un fichier numérisé nommé « TP15 dossier élève ». - Mettre en œuvre le protocole de mesure de températures, en vous aidant de la fiche –technique « Modélisation transfert de chaleur » afin de vérifier que la convection transfère plus efficacement la chaleur que la conduction. - installer avec précaution les thermoplongeurs et les thermosondes comme indiqué sur le schéma. - paramétrer LoggerPro : Entrer les valeurs de temps (10 mn) et d’intervalles (30 secondes) - Cocher la case « Mesure à l’instant zéro » si ce n’est pas fait. -mettre en route le thermoplongeur (brancher sur le secteur) - et lancer immédiatement loggerPro en cliquant sur la flèche verte. REMARQUE : Dans le modèle A de la convection, l’eau chauffée au fond remonte en surface et la chaleur circule rapidement. Dans le modèle B de la conduction, l’eau chauffée en surface ne descend pas. La chaleur arrive très lentement en profondeur par conduction. Appeler le professeur pour vérifier les résultats de la mise en œuvre du protocole avant de lancer vos mesures. Etape B Communication des résultats et exploitation pour répondre aux objectifs Réaliser un schéma de l’expérience faisant apparaître les deux montages. Construire numériquement le graphe de la variation de la température en fonction du temps pour le montage A ou B. Pour cela : o Intégrer les résultats obtenus lors de l’étape A dans le tableur du dossier numérisé du TP : « fichier oppencalc TP15 ». Partager vos résultats avec les autres groupes. o Construire le graphe. Imprimer. o Calculer le gradient géothermique pour chaque montage à noter sur le graphe. Grad thermique = T° / distance entre les sondes (T°= T° de surface – T° de fond) A l'aide des connaissances acquises, compléter le document ci-contre : identifiez les parties à fort gradient géothermique et celles à faible gradient, en déduire le mode de dissipation de chaleur associé. Exploiter les résultats pour montrer que la convection transfère plus efficacement la chaleur que la conduction. Justifier.
