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Courbes de refroidissement – isolation thermique, loi de refroidissement de Newton et solidification

PhysiqueThermodynamique et gaz17–18 ans

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Une activité expérimentale virtuelle qui enregistre la température en fonction du temps. A : un bécher d'eau chaude entouré de coton, de papier bulle, de papier journal, de feutre ou de polystyrène avec le nombre de couches choisi, avec ou sans couvercle, et avec une surface extérieure noire, blanche ou brillante ; relevez le thermomètre toutes les 30 s pendant 20 minutes, tracez les courbes de refroidissement et ajustez T − Tₐ = (T₀ − Tₐ)e^(−t/τ) pour comparer les isolants par leur constante de temps τ. B : courbes de refroidissement de l'acide stéarique, du salol et de la paraffine dans un tube à essai, avec un palier à la température de solidification et une estimation de l'énergie massique de fusion.

Leçon : Isolation thermique, loi de refroidissement de Newton, courbes de refroidissement et énergie massique de fusion

Ce qu’elle montre

Un objet chaud perd de l'énergie d'autant plus vite qu'il est plus chaud que son environnement. Si la puissance perdue est proportionnelle à l'écart de température, cet écart décroît exponentiellement : c'est la loi de refroidissement de Newton, avec une constante de temps τ d'autant plus grande que l'isolation est meilleure. Les isolants emprisonnent de l'air, mauvais conducteur, et un couvercle empêche l'évaporation et la convection à la surface. Quand un liquide pur se solidifie, sa température reste constante car de l'énergie est libérée lorsque les particules se lient en solide.

Mode d’emploi

Dans A. Bécher et isolation, choisissez Entourer le bécher de, Couches, Surface extérieure et Couvercle, puis appuyez sur Démarrer ; une mesure est relevée toutes les 30 s. Appuyez sur Nouvelle mesure pour tester un autre montage et utilisez Graphique pour passer des courbes de refroidissement à ln(T − Tₐ) en fonction du temps ou à la vitesse de refroidissement en fonction de T − Tₐ. Dans B. Courbe de refroidissement d'un corps pur, choisissez la Substance et la Masse puis appuyez sur Démarrer pour voir le palier.

Paramètres modifiables

  • Expérience A. Bécher et isolation, B. Courbe de refroidissement d'un corps pur
  • Matériau isolant Sans isolant, Coton, Papier bulle, Papier journal, Feutre, Polystyrène
  • Nombre de couches 1–5
  • Avec couvercle
  • Surface extérieure Telle quelle, Peinture noir mat, Peinture blanche, Papier aluminium brillant
  • Température initiale de l'eau 50–95 °C
  • Température ambiante 10–30 °C
  • Substance dans le tube Acide stéarique, Salol, Paraffine
  • Masse de substance 5–25 g
  • Refroidi dans Air, Bécher d'eau

Questions à explorer

  1. Quelles grandeurs devez-vous garder identiques pour comparer équitablement les isolants ?
  2. Pourquoi un couvercle ralentit-il le refroidissement bien plus qu'une couche de papier journal ?
  3. Pourquoi la température de l'acide stéarique reste-t-elle vers 69 °C pendant sa solidification ?

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