Convection du CO₂ sous cloche
Étudier la convection des gaz chauds et la stratification du CO₂ sous une cloche en plaçant trois capteurs SCD40 à différentes hauteurs.
Description détaillée
L'élève dispose trois boîtiers FizziQ Connect avec capteurs SCD40 à trois hauteurs sous une grande cloche en verre contenant une bougie. Après allumage, il enregistre simultanément la concentration en CO₂ et la température à chaque niveau. Le capteur du haut détecte en premier l'augmentation de CO₂ et de température, suivi du capteur du milieu puis de celui du bas, mettant en évidence la convection ascendante des gaz chauds. FizziQ Connect permet de synchroniser l'acquisition des trois boîtiers M5 Stack équipés du capteur SCD40 et de superposer directement les courbes de CO₂ et de température pour comparer leur chronologie.
Objectifs pédagogiques
- Mettre en évidence le phénomène de convection thermique dans un gaz
- Observer la stratification verticale de la température et du CO₂ dans une enceinte fermée
- Interpréter la montée des gaz chauds par la poussée d'Archimède
- Comparer des courbes de mesure issues de capteurs placés à différentes positions
- Relier les observations à la notion de transfert thermique par convection
Concepts scientifiques
Instruments et capteurs
Instruments scientifiques
- Mesureur de CO₂ et de température (FizziQ Connect)
Capteurs
- Capteur SCD40
Fonctionnalités FizziQ
- Enregistrement autonome (mode REC) — Chaque boîtier M5 Stack peut enregistrer seul, sans smartphone associé en continu, pratique pour synchroniser trois capteurs à la fois.
- Export des données — Les données CO₂ et température de chaque boîtier sont exportées depuis FizziQ Connect pour être comparées.
- Superposition de courbes multi-capteurs — Les trois courbes de CO₂(t) et de température(t) sont superposées sur un même graphique pour comparer les chronologies des trois hauteurs.
Matériel nécessaire
- Smartphone ou tablette avec FizziQ Connect
- Trois boîtiers M5 Stack avec capteurs SCD40
- Une grande cloche en verre ou bonbonne transparente
- Une bougie (type chandelle, assez haute)
- Un support vertical pour fixer les capteurs à trois hauteurs
- Briquet ou allumettes
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil d'acquisition de CO₂ et de température comparable.
Protocole expérimental
Prépare trois boîtiers M5 Stack, chacun équipé d'un capteur SCD40. Allume-les et vérifie que chacun affiche la concentration en CO₂ (ppm) et la température (°C).
Fixe les trois boîtiers sur un support vertical (tige de laboratoire, pied de caméra) à trois hauteurs distinctes : bas (quelques cm au-dessus de la base), milieu (mi-hauteur de la cloche) et haut (près du sommet de la cloche).
Place la bougie au centre de la base, à côté du support. La flamme doit se trouver à une hauteur inférieure au capteur du milieu.
Connecte chaque boîtier M5 Stack à l'application FizziQ Connect (tu peux utiliser trois smartphones ou tablettes, ou enregistrer en mode différé sur chaque boîtier).
Note les valeurs initiales de CO₂ et température pour les trois capteurs dans l'air ambiant. Elles doivent être proches les unes des autres.
Allume la bougie, puis pose délicatement la cloche par-dessus l'ensemble (bougie + support + capteurs).
Lance l'enregistrement simultanément sur les trois boîtiers (ou utilise le mode REC de chaque M5 Stack).
Enregistre pendant 60 à 80 secondes, jusqu'à ce que la flamme s'éteigne. Attention : elle ne s'éteint pas parce que « tout l'oxygène est consommé », mais dès que le taux d'O₂ descend sous environ 15 à 16 %, contre 21 % dans l'air — il reste donc encore beaucoup de dioxygène sous la cloche.
Arrête l'enregistrement et exporte les données de chaque boîtier dans FizziQ Connect.
Superpose les trois courbes de CO₂(t) et les trois courbes de température(t) sur un même graphique pour comparer les chronologies.
Résultats attendus
Le capteur du haut détecte en premier l'augmentation de CO₂ (typiquement 15 000 à 20 000 ppm affichés) et de température (environ +5 à +6 °C au-dessus de l'ambiante), suivi du capteur du milieu (~14 000 ppm, +4 à +5 °C) puis de celui du bas (~12 000 ppm, +2 à +3 °C). Ces valeurs sont indicatives : elles dépendent du volume de la cloche, de la taille de la flamme et de la position exacte des capteurs. Le décalage temporel entre les trois courbes est de l'ordre de quelques secondes à une dizaine de secondes. La température du capteur haut augmente plus tôt et plus fortement. Après l'extinction de la bougie, les trois valeurs convergent progressivement à mesure que les gaz se mélangent par diffusion.
Attention : ces concentrations dépassent largement la plage de mesure spécifiée du SCD40 (400 à 2 000 ppm). Au-delà, les valeurs affichées restent exploitables pour comparer les chronologies et les ordres de grandeur entre les trois capteurs, mais elles ne doivent pas être prises comme des mesures précises de concentration.
Questions scientifiques possibles
- Pourquoi le CO₂, bien que plus dense que l'air, monte-t-il vers le haut de la cloche ?
- Que se passerait-il si l'on injectait du CO₂ froid sous la cloche au lieu de le produire par combustion ?
- Pourquoi les températures finissent-elles par converger après l'extinction de la bougie ?
- Comment ce phénomène de convection explique-t-il la formation des vents dans l'atmosphère ?
- Quelle serait l'allure des courbes si l'expérience était réalisée en apesanteur ?
Explications scientifiques
La convection est un mode de transfert thermique propre aux fluides (liquides et gaz). Lorsqu'un gaz est chauffé, sa masse volumique diminue car il se dilate. Sa masse volumique devenant inférieure à celle de l'air environnant, il monte sous l'effet de la poussée d’Archimède. Les gaz chauds produits par la combustion de la bougie (CO₂, vapeur d’eau, diazote de l’air entraîné par la flamme) montent donc vers le sommet de la cloche.
C'est pourquoi le capteur du haut détecte l'augmentation de CO₂ et de température en premier. Le CO₂ pur est plus dense que l'air (M_CO₂ = 44 g/mol contre M_air ≈ 29 g/mol). Cependant, dans cette expérience, le CO₂ est produit à haute température et mélangé à d'autres gaz chauds. L'effet thermique (dilatation) l'emporte sur l'effet de densité moléculaire, et le mélange monte. Un calcul d'ordre de grandeur le confirme : à pression fixée, la masse volumique d'un gaz est proportionnelle à M/T. Du CO₂ pur a la même masse volumique que l'air à 20 °C dès que sa température dépasse environ 170 °C (T = 293 × 44/29 ≈ 445 K) — or les gaz au voisinage de la flamme sont bien plus chauds encore.
Ce n'est qu'une fois refroidi au contact des parois et du sommet de la cloche que le CO₂ redescend lentement. C'est pourquoi les capteurs du milieu puis du bas détectent l'augmentation avec un retard temporel. Ce phénomène est à la base de nombreux processus naturels : les courants de convection dans l'atmosphère, la circulation des vents, les courants océaniques, et même la tectonique des plaques (convection du manteau terrestre).
Pour aller plus loin : Expériences sur les transferts de chaleur (Wikiversité) décrit des visualisations de la convection | La combustion d'une bougie dans un bocal (Fondation La main à la pâte) discute le rôle respectif de la convection et de la densité du CO₂.
Extensions possibles
- Réaliser l'expérience avec une seule bougie puis deux ou trois bougies pour observer l'effet de la puissance thermique
- Comparer avec la combustion d'un fusain (carbone pur) pour observer un rapport CO₂/O₂ différent
- Utiliser un ventilateur miniature pour forcer la convection et observer la différence avec la convection naturelle
- Remplacer la cloche par un tube vertical étroit pour observer une convection plus laminaire
Questions fréquentes
Faut-il obligatoirement trois boîtiers M5 Stack ?
C'est l'idéal pour un enregistrement simultané. Alternativement, on peut réaliser l'expérience trois fois avec un seul boîtier placé à une hauteur différente à chaque essai, mais les conditions ne seront pas strictement identiques.
La bougie s'éteint très vite sous la cloche.
Utilise la plus grande cloche possible pour avoir un volume d'air suffisant. Une bonbonne de 5 à 10 litres permet une combustion de 60 à 80 secondes.
Les trois capteurs SCD40 n'affichent pas la même valeur initiale.
Les capteurs ont une tolérance de ± 50 ppm. Note les valeurs initiales de chaque capteur et travaille sur les variations ΔCO₂ plutôt que sur les valeurs absolues.
Le capteur du bas monte avant celui du haut, est-ce normal ?
Cela peut arriver si la flamme est petite ou l'enceinte étroite : la convection est alors trop faible, et le CO₂, une fois refroidi, s'accumule d'abord en bas car il est plus dense que l'air. Utilise une bougie à flamme franche et une cloche assez large : c'est l'intensité de la convection qui détermine si les gaz chauds atteignent d'abord le sommet.
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