ENSEIGNER
mercredi 22 novembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: L'air qui nous entoure
  -  _ (Anciens programmes)  -  Physique

Activité 2: Chauffage de l'air

 
On cherche à présent à déterminer le lien entre la pression de l’air et sa température.
a. Indiquer quelles grandeurs décrivant l'état de l’air doivent rester constantes pour mener à bien cette étude ; on considère que ces conditions seront respectées durant toute la durée de l'expérience.

b. Prévoir, en argumentant, comment évoluerait la pression de l’air dans la seringue si on chauffait la seringue.
• La seringue est reliée au pressiomètre. Chauffer la seringue avec le sèche-cheveux.
• Observer comment évolue la pression de l’air dans la seringue lorsque sa température augmente.

c. Rappeler l’interprétation microscopique de la pression.

d. Utiliser l’observation faite et l’interprétation microscopique de la pression pour proposer une interprétation microscopique de la température.

Avec le professeur, compléter la feuille " Interprétation microscopique des grandeurs macroscopiques " au sujet de la grandeur température.

But: Chauffage de l'air

Cette activité vise à établir expérimentalement le lien qualitatif entre la température et la pression. Elle vise aussi à faire établir aux élèves le lien entre la température et l’agitation des molécules.
La démarche est la même que dans l'activité 1 (relation quantitative mis à part) mais l'activité se termine cette fois par un lien avec le niveau microscopique. En respect de notre choix de demander à l'élève de faire, quand c'est possible, des allers retours entre niveau macroscopique et niveau microscopique, il nous semble pertinent de permettre à l'élève de construire lui-même une interprétation microscopique de la température à partir de celle de la pression (dont il dispose à ce stade).
C'est en reliant l'interprétation microscopique de la pression et la dépendance entre pression et température que l'élève peut rapprocher température et agitation des molécules.

Corrigé: Chauffage de l'air

a. Les grandeurs physiques qui doivent rester constantes sont le volume et la quantité de matière.
b. Le professeur accepte toutes les réponses et arguments des élèves, car on leur demande de donner leur avis.
Expérimentalement, les élèves constatent que la pression augmente lorsque la température augmente. c. La pression correspond au nombre de chocs des particules sur une paroi donnée et pendant une durée donnée.
d. La pression augmente quand la température augmente : le nombre de chocs sur une paroi donnée augmente donc lorsque la température augmente. La quantité de matière n’ayant pas changé, si le nombre de chocs augmente, c’est que les molécules vont plus vite.
La température est donc liée à l’agitation thermique liée la vitesse (moyenne) des molécules.


Le § 2 du texte " Interprétation microscopique des grandeurs macroscopiques " doit avoir pour forme finale.
2. Grandeur température
La température du gaz est liée à l’agitation des molécules. On parle d’agitation thermique.
Plus la vitesse moyenne des molécules est élevée, plus l’agitation thermique est importante et plus la température du gaz est élevée.
Plus la vitesse moyenne des molécules est petite, plus l’agitation thermique faiblit, plus la température du gaz est faible.
L’absence d’agitation thermique correspond au zéro absolu. La température correspondante est 0 K soit –273,15 °C.

Préparation: Chauffage de l'air

Chaque groupe doit disposer d'une seringue et d'un pressiomètre. Le sèche-cheveux pouvant se déplacer de paillasse en paillasse. Attention à ce que les élèves fassent leurs prédictions argumentées avant d'utiliser le sèche-cheveux. Nous conseillons de laisser du temps aux élèves pour qu'ils trouvent une interprétation microscopique de la température. Ce qui demande de ne pas lire trop tôt la feuille "interprétation microscopique des grandeurs macroscopiques".
L'expérience est très simple à réaliser. La variation de pression est très rapidement observable dès l'approche et la mise en marche du sèche-cheveux. Il n'est pas utile de trop chauffer et les élèves doivent veiller à ce que le piston ne glisse pas lorsqu'on chauffe (le volume doit rester constant). La variation est tellement sensible qu'un chauffage du contenu de la seringue avec les mains seulement (en les mettant autour de la seringue) suffit à observer une légère variation de pression. Ce mode de chauffage doit cependant être évité, l'augmentation de pression pouvant alors être attribuée (à juste titre si l'on appuie un peu trop) à la "pression des mains" sur la seringue.

Savoir: Chauffage de l'air

L'interprétation microscopique de la température n'est pas évidente à établir, cependant elle est très importante, car elle permet de donner une représentation mentale du comportement des gaz lorsqu'on les chauffe et de mieux comprendre ce que représente la grandeur température.

Nous avons délibérément évité ici une étude quantitative qui aurait pour but d'introduire l'échelle Kelvin et de définir la température absolue. Ceci est réalisé dans la fiche n°3 du document d'accompagnement (p. 177-178). Cette expérience délicate nécessite une durée d'acquisition très grande si l'on veut faire des mesures sur un intervalle de température suffisant. Surtout, il nous paraît abusif de faire une régression linéaire sur un intervalle beaucoup plus grand que celui concerné par les mesures (ceci ne nous paraît pas relever d'une démarche scientifique ; que dirions-nous à nos élèves qui prendraient une telle initiative ?). Certes, cette méthode permet d'obtenir une bonne valeur approchée du zéro absolu en °C.

Pour notre part, nous renonçons donc à estimer cette valeur mais nous ne renonçons pas à introduire l'existence d'une échelle de température pour laquelle le zéro n'est pas 0°C. En effet, puisque la température est liée à l'agitation, on peut estimer que cette température ne peut pas descendre au-dessous d'une certaine valeur limite : dans le cas où il n'y aurait plus d'agitation. Ceci justifie la phrase (conforme au programme) "L’absence d’agitation thermique correspond au zéro absolu".
Nous avons fait le choix de ne pas insister sur le fait que l’échelle de température est la même pour tous les gaz.

L'enseignant pourra également prendre l'initiative, durant les séances en classe entière, d'approfondir quelque peu les liens établis entre niveaux macroscopique et microscopique, d'utiliser la loi du gaz parfait ou encore d'utiliser l'échelle Kelvin.
Il peut par exemple pour ceci :
- utiliser les exercices des livres (exercices purement calculatoires ou faisant intervenir des interprétations microscopiques) ;
- réinvestir l'activité 1 de la partie 2 (ajout d'air dans une bouteille) ;
- utiliser un simulateur (par exemple Avogadro dans Microméga Hatier).

Comportement des élèves: Chauffage de l'air

La relation qualitative entre pression et température n’a rien d’évident pour les élèves. Un certain nombre de faits connus font conclure à une dépendance inverse de celle attendue. Par exemple : lorsqu’on fait de la plongée, la température diminue en même temps que la pression augmente. Certains élèves pensent aussi qu’en altitude (où il fait plus froid), la pression augmente.
Il n’est pas rare d’observer des élèves qui n’arrivent pas à justifier le fait que la pression augmente lorsqu’on chauffe.
Dans cette situation, il est possible que les élèves expliquent l'augmentation des chocs des molécules sur les parois par l'augmentation du nombre de molécules et qu'ils concluent que l'interprétation microscopique de la température correspond au nombre de molécules. Il est possible de leur faire constater que rien ne sort et que rien ne rentre, donc que le nombre de molécules n'a pas changé.
Cependant un certain nombre d'élèves raisonnent comme s'il y avait eu une réaction chimique suite à l'élévation de température et qu'une nouvelle espèce chimique était apparue.

Cette vidéo illustre comment l'élève A, aidée de l'élève E, élabore sa réponse pour la question. Elle souligne l'importance des interactions verbales entre les élèves, lors de la construction de nouvelles connaissances.

Vidéo 1

Activité n° 2: Chauffage de l'air
Collaboration entre élèves pour construire une réponse

Cette vidéo illustre comment l'élève A, aidée de l'élève E, élabore sa réponse pour la question. Elle souligne l'importance des interactions verbales entre les élèves, lors de la construction de nouvelles connaissances.

(Double-cliquez sur la vidéo pour la lancer)

A: non mais cette augmentation (de la pression), elle est liée au fait que y'est
E: que la température augmente
A: ouais, c'est bête (…) attends l'augmentation de la pression, elle est liée aux chocs des parois, ben lorsque sa température augmente, c'est lié donc
E: ben oui c'est lié
A: non quand sa température augmente, les molécules sont, deviennent plus nombreuses au niveau du choc, non (…) ça accélère
M: ben ouais