Question centrale

Comment la température de l’air influe-t-elle sur la température d'un objet enfoui dans le sol ?

Matériel requis :

• un thermomètre ;
• un gobelet rempli de sable ou de terre ;
• un réfrigérateur ou un congélateur ;
• un tableau pour reporter vos résultats.

Idées principales et notions de base :

• L’énergie totale ou interne est la somme totale de l’énergie de toutes les molécules qui constituent un objet.
• L’énergie thermique de l’air ou d’un autre gaz résulte de l’énergie cinétique moléculaire (l’énergie qui découle de l’agitation des molécules).
• L’énergie thermique d’un liquide ou d’un solide est l’énergie potentielle intermoléculaire (énergie créée par les forces qui s'exercent entre les atomes et les molécules) ainsi que par l’énergie cinétique moléculaire.
• Généralement, plus un objet est grand (c.-à-d., plus le nombre de molécules qu’il contient est important), plus son énergie thermique est importante. C’est pourquoi, chaque molécule contribue à l’énergie de l’objet dans son ensemble.
• La chaleur est l’énergie thermique qui est transférée d’un objet à un autre en raison de la différence de température. C’est pour cela que la chaleur est l’énergie qui passe d’un objet ayant une température élevée à un objet ayant une température plus basse.
• La température est la mesure de l’énergie cinétique moyenne des molécules individuelles qui composent un objet. Si deux objets ont la même température, alors l’énergie cinétique moyenne des molécules est identique.
• Chaque substance présente une « chaleur spécifique » qui correspond à la quantité de chaleur par unité de masse requise pour élever la température d'une substance d'un degré Celsius. Il faut ajouter plus de chaleur pour augmenter la température d’un objet de grande taille que pour un objet de petite taille composé du même matériau. Si l’on considère la quantité importante de matière dans la croûte terrestre, il faudra une très grande quantité de chaleur pour augmenter sa température. Inversement, il faudrait nettement réduire la chaleur de la croûte terrestre pour diminuer sa température étant donné la quantité de matière dans la croûte.
• La conductivité thermique d’une substance indique la vitesse de transfert de chaleur. Ainsi, l’aluminium a une conductivité thermique très importante. Si vous versez votre thé chaud dans une tasse en aluminium, la tasse se réchauffe rapidement. Vous devez alors boire votre thé avec précaution.
• La matière terrestre a généralement une conductivité thermique plus faible. Ceci signifie qu’un lapse de temps assez long est nécessaire pour que la chaleur du soleil ou de l’air qui réchauffe la surface de la Terre pénètre dans le sol.
• Généralement, les matériaux terrestres se comportent comme des isolants thermiques puisqu’ils sont de médiocres conducteurs de chaleur. La quantité de matière est tellement importante dans la croûte terrestre qu’il faut énormément de chaleur pour augmenter sa température. La faible conductivité thermique de la matière terrestre empêche la chaleur de se transférer rapidement.

Conseils sur le déroulement de l'expérience :

• Si vous arrivez à trouver un thermomètre de cuisine tel que à celui présenté sur la page Web « Rendement énergétique », vous obtiendrez alors de meilleurs résultats. Ceci est dû au fait que la température est mesurée au bout du thermomètre bien en-dessous de la surface et s'affiche sur le cadran se trouvant au-dessus.
• Si vous utilisez un thermomètre à bulbe, vous devez attendre que le fluide contenu dans le thermomètre descende vers le bas du tube pour mesurer les températures les plus basses. Afin de voir le liquide dans le tube à basses températures, vous ne pourrez pas enfoncer le bulbe très profondément dans le sable. Le sable du dessus refroidit plus vite que celui situé plus en profondeur. De plus, le tube du thermomètre peut conduire la chaleur du bulbe vers l’air du réfrigérateur, ce qui accélère alors le refroidissement.
• Fréquence des relevés de température au cours de l'expérience : si vous préférez relever la température à chaque minute et non pas toutes les dix minutes, rappelez-vous que chaque fois que vous ouvrez la porte du congélateur pour effectuer un relevé, vous faites entrer de la chaleur.
• Option : Utilisez une sonde thermométrique numérique raccordée à votre ordinateur ou à un autre système d’affichage par un câble. Placez la sonde dans le sable, puis placez le gobelet rempli de sable au congélateur. Refermez le mieux possible la porte du congélateur directement sur le câble. Cette technique vous permet de relever les températures sans devoir ouvrir la porte du congélateur.

Discussion

1. Expliquez ce qui s’est passé quand le thermomètre a été placé au congélateur.
   Réponse : Le thermomètre était à température ambiante avant de le placer au congélateur. Lorsqu’il a été placé au congélateur, la chaleur du thermomètre s’est transférée au congélateur jusqu’à ce que la température du thermomètre corresponde à la température de l’air dans le congélateur.
   

2. Pourquoi le thermomètre enregistre-t-il rapidement une température basse lorsqu'on le place directement dans le congélateur ?
   Réponse : Cela se produit rapidement car l’air froid du congélateur était en contact direct avec le thermomètre et puisque le thermomètre à température ambiante ne contenait pas beaucoup d'énergie thermique. Cette petite quantité de chaleur a été rapidement transférée du thermomètre à l'air froid du congélateur.

3. Expliquez ce qui se passe lorsque l'on place le thermomètre dans le sable au congélateur.
   Réponse : Le thermomètre et le sable étaient à température ambiante avant de les placer au congélateur. Dès qu'on les place au congélateur, le sable entre en contact avec l’air froid alors que le thermomètre est enfoncé dans le sable. La chaleur du sable se transfère dans le congélateur et, dans le même temps, la chaleur du thermomètre se transfère dans le sable. Le thermomètre et le sable dégagent de la chaleur jusqu'à ce qu'ils atteignent la température ambiante du congélateur.

4. Pourquoi le thermomètre enfoui dans le sable met-il plus de temps à relever une température basse que le thermomètre placé directement dans le congélateur ?
   Réponse : Cela prend plus de temps car l’air froid du congélateur était en contact avec le sable et non pas avec le thermomètre. En outre, le sable n’est pas un bon conducteur de chaleur, et il emmagasine une grande quantité de chaleur thermique. La chaleur doit se transférer du sable à l’air froid avant qu'elle ne s’échappe du thermomètre vers le sable. Le sable a une conductivité thermique faible, ce qui signifie que la chaleur ne s'en échappe pas rapidement. Cet effet d’isolation thermique ralentit le processus de transfert de chaleur. Le sable contient beaucoup d’énergie thermique dont la totalité doit être transférée au congélateur sous forme de chaleur avant que le thermomètre ne cesse d'enregistrer des variations de température. Ce transfert de chaleur prend plus de temps, ce qui explique par conséquent que le thermomètre met plus de temps pour enregistrer une température inférieure.

5. En quoi cette expérience s'applique-t-elle à la vie réelle ?
   Réponse : L'isolation nous permet de conserver la chaleur (par temps froid) et la fraîcheur (par temps chaud) dans nos maisons. Le sable dans la tasse joue le rôle d’isolant. Il ralentit donc le transfert de chaleur sans pouvoir arrêter ce transfert entre deux objets ayant des températures différentes. C’est pourquoi nous devons mettre en marche le chauffage l'hiver et la climatisation l'été.

6. Pourquoi les maisons souterraines sont-elles plus rentables énergétiquement que celles construites à la surface ?
   Réponse : Les maisons construites à la surface réagissent comme le thermomètre placé directement dans le congélateur. L’air extérieur peut rapidement modifier la température de la maison. De la même manière, les maisons souterraines se comportent comme le thermomètre dans le sable. La température sous terre ne change pas rapidement. Le sol sert d’isolant. Ainsi, une petite quantité d’énergie est suffisante pour chauffer ou rafraîchir des maisons souterraines.

7. Quelles sont les références historiques en matière de maisons souterraines ?
   Réponse : Les habitations souterraines ont été utilisées à certaines périodes dans de nombreux pays. Par exemple, parmi les premiers pionniers installés aux Etats-Unis, certains ont construit des maisons partiellement souterraines. Dans de nombreux cas, il était plus simple et plus rapide de construire ce type de maisons plutôt que de bâtir des maisons entièrement à la surface.

Evaluation

Les élèves peuvent-ils expliquer comment la température de l’air influe sur la température d'un objet enfoui dans le sol ?

Réponse : Si l’air est froid et le sol chaud, la chaleur se transfère du sol vers l’air jusqu’à ce qu'ils atteignent tous les deux la même température. Toutefois, cela demande beaucoup de temps puisque la conductivité thermique du sol est faible et que, par conséquent, la chaleur s'en échappe lentement. La quantité de chaleur dans le sol est également importante étant donné qu'il contient une quantité élevée de matière terrestre. L’air froid refroidit l’objet enfoui dans le sol mais cela prend du temps.

Variantes et autres études

• Demandez aux élèves de renouveler l'expérience avec cette fois-ci :
  – différentes quantités de sable ;
  – autres types de matière terrestre, tels que de l’argile ou de la terre ;
  – différents types de thermomètres.

• Avant que les élèves ne se lancent dans ces nouvelles expériences, demandez-leur de deviner le résultat de chacune d'entre elles et de justifier leurs réponses. Ils devront ensuite comparer leurs estimations avec les résultats obtenus et argumenter les écarts éventuels constatés.

Applications industrielles

• Architecture
• Génie thermique
• Construction de maisons
  

Corrélations avec les standards éducatifs anglo-saxons

United States: Cet exercice rel¨¨ve de certaines parties de la norme NSES Content Standard A, Science as Inquiry et Content Standard G, History and Nature of Science, Grades 5-8 et 9-12 ainsi que des normes suivantes :

Grades 5-8

Standard B – Physical Science: B3
Earth and Space Science: D1

Grades 9-12
Standard B – Physical Science: B5, B6
Earth and Space Science: D1

Britain: Cet exercice rel¨¨ve de la norme anglaise relative ¨¤ l'enseignement Sc1, ? Science Enquiry ? ainsi qu'aux normes suivantes :

KS3, Sc4: 5d, BoS: 1a, b, d, e
KS4, Sc4:5b, BoS: 1a,b,d,e
KS5, Physics AQA, Public Understanding of Science

Glossaire/vocabulaire

énergie thermique ou interne
énergie cinétique moléculaire
énergie potentielle intermoléculaire
chaleur
température
chaleur spécifique
conductivité thermique
isolants

Liens

Sites (en anglais) offrant des informations sur les maisons souterraines :

Malcolm Wells.com

Architecture souterraine
Mysthaven Resort, Markham Ontario

Les habitations souterraines
Ministère de l’Energie américain

Une maison recouverte de terre qui permet de réduire les coûts d'énergie.
Post-gazette.com

Sites (en anglais) sur l'histoire des maisons souterraines.

Un nouveau type d'habitation
The Domestic Frontier

Dugout Soddy
Ramsey County Historical Society

Habitat troglodytique
Grottes – Karst – Sources– Mines – Souterrain