Trois bougies
Étudier la convection des gaz chauds et la stratification du CO₂ sous une cloche en plaçant trois capteurs SCD40 à différentes hauteurs.
Quand une bougie brûle sous une cloche en verre, les gaz chauds produits par la combustion montent par convection. Mais où vont le dioxyde de carbone et la chaleur ? Se répartissent-ils uniformément ou se stratifient-ils en fonction de l'altitude ? Pour répondre à cette question, nous allons placer trois boîtiers FizziQ Connect équipés chacun d'un capteur SCD40 à trois hauteurs différentes sous une grande cloche en verre : en bas, au milieu et en haut. En suivant simultanément la concentration en CO₂ et la température à chaque niveau, nous allons mettre en évidence que les gaz chauds riches en CO₂ montent en premier vers le haut de la cloche, puis se diffusent progressivement vers le bas. Cette expérience illustre de façon spectaculaire le phénomène de convection thermique et le rôle de la poussée d'Archimède dans les fluides chauffés.
Résumé :
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.
Ebene :
Autor:
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Collège
FizziQ
30
Objectif pédagogique :
- 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 :
- Convection thermique
- Poussée d'Archimède dans les gaz
- Stratification verticale
- Transfert de chaleur
- Combustion et production de CO₂
- Masse volumique et température
Capteurs :
- Capteur SCD40 (CO₂ en ppm, température en °C, humidité en %) × 3
Matériel :
- 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
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 bougie s'éteigne par manque d'O₂.
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 (jusqu'à 18 000 ppm) et de température (jusqu'à 26°C), suivi du capteur du milieu (jusqu'à 14 000 ppm, 25°C) puis de celui du bas (jusqu'à 12 000 ppm, 23°C). 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.
Questions scientifiques :
- 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 ?
Analyse scientifique
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. Devenu plus léger que l'air environnant, il monte sous l'effet de la poussée d'Archimède.
Les gaz chauds produits par la combustion de la bougie (CO₂, H₂O, N₂ chaud) 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.
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).
Variantes 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
FAQ
Q: Faut-il obligatoirement trois boîtiers M5 Stack ?
R: 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.
Q: La bougie s'éteint très vite sous la cloche.
R: 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.
Q: Les trois capteurs SCD40 n'affichent pas la même valeur initiale.
R: 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.