TP15 conduction-convection

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
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.
Document 2 Les modes de transfert
thermique
 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.
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.
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.
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.