stabilisation de la température de l'eau

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stabilisation de la température de l'eau

Madame, Monsieur,

Nous sommes des élèves du centre éducatif et scolaire de Bezannes (51). Nous avons entre 8 (CE2)et 11 ans (CM2). Avec notre maître et le maître du pôle sciences de Reims nous avons travaillé en classe sur l’air et la température.
Nous avons pris de l'eau à 3 température différentes et nous avons suivi son évloution avec le temps.
La température de la classe était de 19.5°C.
Nos mesures sont récapitulées dans le tableau suivant :
Bac Bac B Bac C
Température à 9h35 12° 86° 10°
T à 10h40 16° 32° 13°
T à 11h45 17° 24° 17°
T à 14h10 18° 22° 17.5°
T à 18h 18° 18° 18°

Ce qui nous étonne c’est que les températures des trois bacs se stabilisent à 18°C alors que la température de la classe était de 19.5°C. Nous avions fait l’hypothèse que les températures se stabiliseraient à 19.5°C, c'est à dire celle de la classe.
Auriez-vous une explication à ce phénomène ?

Merci beaucoup.

Les élèves du CES de Bezannes

Vos bacs ne sont pas en équilibre thermique avec l'air environnant, sans doute à cause de l'évaporation qui absorbe une quantité significative d'énergie. Pour que vous soyez en équilibre thermique avec l'air de la salle, il faudrait un taux d'humidité de 100%.

Patrick Bouchareine

Bonjour,

Il peut y avoir plusieurs causes comme la matière des bacs qui peut absorber de la chaleur , le brassage des fluides.
En effet, si la même expérience est faite en mélangeant l'eau l'équilibre thermique est plus rapide, donc peut être qu'à 18h vous seriez plus proche des 19.5°C.
Le second point c'est la matière en elle même. Si l'expérience est faite dans des bacs en plastique ou en métal, la aussi il y aurait un petite écart de température.
C'est le même cas si au lieu de l'eau on utilise, par exemple, de l'huile.
L'huile devrai s'équilibrer plus rapidement que l'eau à la température finale. C'st une notion de capacité thermique massique: Pour une même quantité de produit l'eau, ou l'huile, ou un métal ne se refroidit pas à la même vitesse. C'est une propriété qui est propre à chaque matière.

Bonjour,

Avant toute chose, il faudrait vérifier :

– si la température de la classe a été mesurée au même endroit que là où sont posés les bacs... si c'est un thermomètre collé au mur et que les bacs sont sur une table, il y a de grandes chances que les températures ne soient pas les mêmes ;

– si ces températures ont été mesurées avec le même thermomètre ou des thermomètres différents... des écarts d'un degré voire plus sont possibles avec des thermomètres de qualité moyenne !

– s'il y a ou pas un courant d'air (même léger) dans la classe et surtout là où sont les bacs. En effet l'évaporation forcée de l'eau est endothermique, c'est-à-dire prend de la chaleur à l'eau dont la température baisse. Tout le monde sait que lorsqu'on est mouillé dans un courant d'air on prend vite froid, même si on est mouillé de transpiration donc d'un liquide émis à la température de notre corps. Les gens qui ont une piscine non chauffée chez eux et qui habitent par exemple dans le Midi savent bien également que les jours de Mistral la température de la piscine chute très vite...

Bref, en dehors des vérifications portant sur la mesure elle-même, je pense que vous avez tout intérêt à vous pencher sur le rôle de l'évaporation de l'eau. Et même sans courant d'air... car si l'évaporation forcée par courant d'air produit un refroidissement rapide, l'évaporation "naturelle" dans un air calme peut aussi en produire un mais bien sûr plus léger.

J'imagine que vous avez opté pour des bacs ouverts en pensant ainsi accélérer les échanges thermiques entre l'eau et l'air de la pièce. Il serait intéressant à mon avis de refaire l'expérience avec des bacs fermés, éventuellement de simples bouteilles avec un bouchon (par exemple en liège) au travers duquel on fait passer le thermomètre (si on veut une mesure en continu) ou qu'on enlève juste le temps de la mesure (mais attention au temps d'équilibre !).

De cette manière, vous élimineriez l'aspect évaporation (l'eau vapeur serait en équilibre avec l'eau liquide dans des récipients fermés) et devriez vous rapprocher de ce que l'on "doit" trouver : oui, à l'équilibre thermique, les températures sont égales !

Premièrement, votre hypothèse est bonne ! Certains d'entre vous apprendront plus tard une science qui s'appelle la thermodynamique et qui décrit bien le fait que la chaleur passe du "chaud" vers le "froid" jusqu'à ce que les températures soient égales.

Mais alors... ? Quelles explications trouver à votre observation ? Il m'en vient immédiatement trois à l'esprit.
1) La température de la classe a-t-elle été mesurée près des bacs, à leur hauteur, avec le même thermomètre que pour l'eau ?
2) L'eau est peut-être un peu plus froide que l'air, surtout s'il fait sec dans la classe. Si c'est la cas, l'eau est en train de s'évaporer et ça la refroidit (pensez comme on peut avoir froid en sortant de l'eau surtout s'il y a du vent : le vent force l'eau à s'évaporer sur notre peau, ça refroidit l'eau qui reste et cette eau froide nous refroidit). Donc dans un premier temps, l'eau (chaude) a chauffé la classe et, dans un deuxième temps, c'est la classe qui chauffe en permanence l'eau qui s'évapore en permanence.
3) Le thermomètre mesure la température... du thermomètre ! Il a des chances pour que le thermomètre plongé dans l'eau soit à la température de l'eau, mais celui dans l'air peut voir sa température influencer par votre chaleur corporelle : vous savez comme il fait plus chaud au soleil. En effet, le soleil nous envoie de la chaleur sous forme de lumière. N'importe quelle objet en envoie un tout petit peu (c'est une lumière invisible pour nos yeux --on dit qu'elle est infrarouge-- sauf quand les objets sont très très chauds : elle est alors rouge, puis jaune, puis blanche...), surtout s'il est tiède comme notre corps ou chaud comme un radiateur. Ce petit peu de chaleur peut augmenter un petit peu la température du thermomètre dans la classe qui n'est plus à la température de l'air ! (l'air autour du thermomètre est à peu près transparent pour cette lumière infrarouge qui transporte la chaleur).
Comme les bac d'eau sont beaucoup plus gros que la pointe du thermomètre (c'est là que la température est mesurée), le même petit peu de chaleur qui vient de votre corps ne change pas la température des bacs (et du thermomètre qui est dedans).
Il y a des vignes à Bezannes. Les viticulteurs vous diront qu'ils craignent davantage le gel de nuit quand il y a de l'herbe entre les rangs de vigne, plutôt que de la terre nue. En effet, l'herbe empêche la terre (qui a toujours été réchauffée pendant la journée) de renvoyer cette lumière infrarouge vers les branches de vigne (les pampres), lumière qui pourrait réchauffer les bourgeons quand il fait -1°C ou -2°C en fin de nuit (évidemment, s'il fait -5°C ou -10°C, c'est fichu pour les bourgeons : la petite chaleur de la lumière infrarouge ne suffit pas).

Vous voyez, la mesure des températures est une chose compliquée. C'est pour essayer de faire que la température du thermomètre soit à peu près à la température de l'air qu'on mesure la température dans des "abris méteo"

Bon courage !

Pour que vous observiez la même température dans le liquide et l'air ambiant,il faut que rien d'autre ne perturbe l'ensemble( système dit "isolé" en science). Par exemple l'évaporation ou un courant d'air empêchent d'atteindre l'état dit "d'équilibre" (en terme scientifique). Je vous propose de faire l'expérience suivante : mettez le récipient d'eau chaude (avec un thermomètre au travers du bouchon)dans une glaciaire de camping en polystyrène dans laquelle vous placerez le même type de thermomètre (ou si possible par un trou dans la boîte). Suivez patiemment l'évolution des températures. Si vous atteignez la même température dans le récipient et la boîte vous pourrez dire que le "système a atteint un état d'équilibre" .Vous pourrez faire la même expérience avec de l'eau et des glaçons dans le récipient intérieur.

Jean-Claude Chottard,
professeur émérite de chimie,
Université Paris Descartes
jean-claude.chottard@parisdescartes.fr/ jcchottard@wanadoo.fr