concepts clés
physique
transfert de chaleur
Isolation
science des matériaux

Introduction
Que faites – vous quand il fait très froid en hiver? Vous allumez probablement votre appareil de chauffage, mettez une couche supplémentaire de vêtements ou câlins sous une couverture chaude. Mais avez-vous déjà pensé à pourquoi une veste vous aide à rester au chaud? Pourquoi nos vêtements sont-ils fabriqués à partir de tissus et non de feuilles? Découvrez les réponses dans cette activité; vos résultats pourraient même vous aider à trouver la meilleure façon de rester au chaud dans le froid!,

contexte
La Chaleur est une forme d’énergie. Vous avez besoin d’énergie pour réchauffer quelque chose: par exemple, une tasse de thé. Pour préparer votre thé, vous utilisez probablement de l’énergie provenant de l’électricité ou du gaz. Cependant, une fois que votre thé est chaud, il ne restera pas chaud pour toujours. Il suffit de laisser la tasse de thé sur la table pendant un moment, et vous savez déjà qu’il deviendra plus frais plus vous attendez. Cela est dû à un phénomène de transfert de chaleur, qui est le flux d’énergie sous forme de chaleur. Si deux objets ont des températures différentes, la chaleur circule automatiquement d’un objet à l’autre une fois qu’ils sont en contact., L’énergie thermique est transférée de l’objet le plus chaud à l’objet le plus froid. Dans le cas du thé, la chaleur du liquide est transférée à l’air ambiant, qui est généralement plus froid que le thé. Une fois les deux objets atteignent la même température, le transfert de chaleur s’arrête. Le transfert de chaleur via le mouvement des fluides (liquides ou gaz) est appelé convection.

un autre type de transfert de chaleur est la conduction, dans laquelle l’énergie se déplace à travers une substance (généralement un solide) d’une particule à l’autre (contrairement à la convection où c’est la matière chauffée elle-même qui se déplace)., Une poignée de pot devenant chaude serait un exemple de conduction.

la chaleur peut également être transférée par rayonnement. Vous avez peut-être vécu cela en vous asseyant autour d’un feu de joie. Bien que vous ne touchiez pas le feu, vous pouvez le sentir rayonner de la chaleur dans votre visage même s’il fait froid dehors. Si vous aimez boire votre thé chaud, vous pourriez vous demander comment le transfert de chaleur peut être réduit et comment le thé ne refroidit pas? La réponse est d’isolation thermique., Isolation signifie créer une barrière entre l’objet chaud et l’objet froid qui réduit le transfert de chaleur en réfléchissant le rayonnement thermique ou en diminuant la conduction thermique et la convection d’un objet à l’autre. Selon le matériau de la barrière, l’isolation sera plus ou moins efficace. Les barrières qui conduisent très mal La chaleur sont de bons isolants thermiques, alors que les matériaux qui conduisent très bien la chaleur ont une faible capacité isolante. Dans cette activité, vous testerez quels matériaux fabriquent de bons ou de mauvais isolants thermiques à l’aide d’un verre d’eau chaude., Quel matériel pensez-vous sera le plus efficace?

Matériaux

• Cinq pots en verre avec couvercles
• Ciseaux (et des adultes pour les aider avec la coupe)
• Bande
• Aluminium
• papier Bulle
• écharpe de Laine ou d’autres vêtements de laine
• Papier
• l’eau Chaude du robinet
• Thermomètre
• Réfrigérateur
• Timer
• Papier pour l’écriture
• Stylo ou un crayon

Préparation

• Couper un morceau de la feuille d’aluminium, le papier bulle et le papier (un adulte de l’aide si nécessaire)., Chaque pièce doit être assez grande pour tenir trois fois sur les côtés du bocal en verre.
• Prenez le morceau de papier d’aluminium et placez-le sur les côtés de l’un des pots. Vous devriez avoir trois couches de papier d’aluminium autour du pot en verre. Utilisez le ruban pour attacher la feuille au pot.
• ensuite, enveloppez un autre pot avec du papier bulle afin que le verre soit également recouvert de trois couches. Assurez-vous de coller le papier bulle sur le pot.
• utilisez le papier découpé pour envelopper un troisième pot dans trois couches de papier. Encore une fois, attachez le papier au bocal en verre.,
• prenez un autre pot en verre et enroulez l’écharpe ou un autre tissu de laine autour du pot. Faites seulement trois couches d’emballage et assurez-vous que l’écharpe reste attachée au pot.
• laissez le dernier pot sans aucun emballage. Ce sera votre contrôle.

Procédure

• Remplir chaque pot avec la même quantité d’eau chaude au robinet.
• Utiliser le thermomètre pour mesurer la température dans chaque pot. Mettez votre doigt dans l’eau de chaque pot (soyez prudent si votre eau du robinet est très chaude) – comment se sent la température de l’eau?,
• notez la température de chaque pot et fermez les couvercles. Toutes les températures sont-elles identiques ou y a-t-il des différences? Quelle est l’ampleur des différences?
• ouvrez votre réfrigérateur et mettez les cinq pots à l’intérieur. Assurez-vous qu’ils sont toujours bien emballés. Sentez la température du réfrigérateur—à quoi ressemble sa température?
• Mettre le thermomètre dans le réfrigérateur. Quelle température le thermomètre lit – il lorsque vous le mettez dans le réfrigérateur?
• Une fois que tous les pots sont dans le réfrigérateur, fermez la porte du réfrigérateur et réglez votre minuterie sur 10 minutes., Que pensez-vous qu’il se passera avec les pots et l’eau chaude pendant ce temps?
• après 10 minutes, ouvrez le réfrigérateur et sortez tous les pots. Ne les pots se sentir différent?
• ouvrez chaque pot, un à la fois, et mesurez la température de l’eau avec votre thermomètre. Aussi, sentez la température avec votre doigt. Fait le changement de température? Comment cela a-t-il changé en fonction du thermomètre?
• répétez la mesure de la température pour chaque pot et notez la température pour chaque matériau d’emballage. A la température dans chaque pot changement de la même manière?, Quel matériau d’emballage a entraîné le changement de température le plus bas, et lequel a entraîné le plus grand?
• pour une meilleure comparaison, calculez la différence de température entre le début et la fin du test pour chaque pot (température débutant par rapport à la température après 10 minutes au réfrigérateur). À partir de vos résultats, Pouvez-vous dire quel matériau est le meilleur ou le plus faible isolant thermique?
• Extra: Les températures continueront-elles de changer de manière similaire pour chaque matériau? Vous pouvez fermer chaque pot à nouveau et les remettre au réfrigérateur pendant encore 10 minutes., Les résultats sont-ils différents cette fois ou identiques?
• Extra: la température de l’eau le changement de la même dans le réfrigérateur comme au congélateur ou à température ambiante? Répétez le test, mais cette fois au lieu de mettre les bocaux en verre dans le réfrigérateur, mettez-les dans le congélateur ou gardez-les à température ambiante. Combien la température de l’eau changement dans les 10 minutes? Les différents matériaux d’emballage se comporter différemment?
• Extra: Essayez de trouver d’autres matériaux que vous pensez sont de bons ou de mauvais isolants thermiques et les tester. Quel matériau fonctionne le mieux?, Pouvez-vous penser à une raison pourquoi?
• Extra: si vous sortez les pots du réfrigérateur après 10 minutes, vous mesurez probablement toujours une différence de température entre l’eau à l’intérieur du pot et la température à l’intérieur du réfrigérateur. Vous pouvez conserver les bocaux en verre plus longtemps au réfrigérateur et mesurer leur température toutes les 15 à 30 minutes. Combien de temps faut-il pour que la température de l’eau ne change plus? Quelle est la température finale de l’eau à l’intérieur du verre?
• Supplémentaires: en plus de choisir le bon matériau isolant, quels sont les autres moyens d’améliorer l’isolation thermique?, Répétez ce test avec un seul matériau d’emballage. Cette fois, changez l’épaisseur de votre couche isolante. Trouvez-vous une corrélation entre l’épaisseur de la couche d’isolation et le changement de température dans le réfrigérateur?

Observations et résultats
votre eau chaude a-t-elle considérablement refroidi pendant les 10 minutes à l’intérieur du réfrigérateur? Bien que la température du réfrigérateur soit très basse, votre eau chaude a une température élevée., Comme l’énergie thermique circule de l’objet chaud à l’objet froid, l’énergie thermique de votre eau chaude sera transférée à l’air froid environnant à l’intérieur du réfrigérateur une fois que vous avez mis les bocaux en verre à l’intérieur. Le mécanisme de transfert de chaleur le plus important dans ce cas est la convection, ce qui signifie que l’air juste à côté du pot chaud est réchauffé par l’eau chaude. Puis, l’air chaud est remplacé par de l’air froid, qui est également réchauffé. Dans le même temps, l’air froid refroidit l’eau à l’intérieur du pot. La chaleur de l’eau chaude est transporté par le courant d’air froid autour de la tasse., Si vous avez laissé les pots dans le réfrigérateur assez longtemps, vous avez peut-être observé que la température change jusqu’à ce que l’eau chaude atteigne la température à l’intérieur du réfrigérateur. Sans différence de température entre l’eau et le réfrigérateur, le transfert de chaleur s’arrête.

la Chaleur de l’eau est perdue par conduction: le transfert de chaleur dans le matériau, qui dépend de la conductivité thermique du matériau lui-même. Le pot en verre peut relativement bien conduire la chaleur. Vous remarquez que lorsque vous touchez le bocal en verre avec de l’eau chaude, le verre est également chaud., Quel effet les différents matériaux d’emballage ont? Vous devriez avoir remarqué qu’avec les matériaux d’emballage, la température de l’eau après 10 minutes à l’intérieur du réfrigérateur était plus élevée que le contrôle non emballé. Pourquoi? Habillage du bocal en verre réduit le transfert de chaleur de l’eau chaude à l’air froid à l’intérieur du réfrigérateur. L’utilisation de matériaux d’emballage ayant une très faible conductivité thermique réduit la perte de chaleur par conduction. Dans le même temps, l’isolant peut également perturber ou réduire le flux d’air froid autour du bocal en verre, ce qui réduit les pertes de chaleur par convection.,

Une façon de réduire la convection consiste à créer des poches d’air autour du pot, par exemple en utilisant des isolants tels que du papier bulle, du tissu ou de la laine, qui ont beaucoup de poches d’air. L’Air est un bon isolant thermique, mais il peut transmettre la chaleur par convection. Cependant, si les poches d’air à l’intérieur du matériau isolant sont séparées les unes des autres, le flux de chaleur d’une poche d’air à l’autre ne peut pas se produire facilement. C’est la raison pour laquelle vous devriez avoir mesuré la température la plus élevée dans le pot enveloppé de bulles et le pot enveloppé de tissu., Cela explique également pourquoi la plupart de nos vêtements sont faits de tissus et pourquoi vous restez plus chaud lorsque vous mettez une veste supplémentaire. Le papier et le papier d’aluminium facilitent l’évacuation de la chaleur car ils n’ont pas beaucoup de poches d’air.

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