Ça vous dilate ou ça vous contracte ?
Illustration A. Pontais EPFL SPS 2020
Viens découvrir une propriété physique de l’air.
Mélina: Papounet, Jennifer veut pas me passer le ballon !
Jennifer: Papounet, Mélina veut pas me laisser l’évier !
Mélina: Papounet, Jennifer m’a mouillée !
Jennifer: Papounet, Mélina m’a arrosée !
Papounet: Les filles, vous commencez à m’échauffer.
Mélina: Attention Papounet, si tu chauffes, tu va gonfler.
Jennifer: Et devenir encore plus gros.
Mélina: Peut-être même t’envoler.
Jennifer: Ou exploser.
Papounet: Et bien oui, j’explose: allez-tout le monde dehors !
Matériel
- une bouteille en PET (1 ou 1,5 litre)
- deux ballons de baudruche (si tu n’as pas de ballon, il y a une expérience alternative à la fin des explications)
- un robinet d’eau chaude et froide
Expérience 1
- Laisse la bouteille ouverte un moment dans la pièce
- Mets un ballon sur le goulot de la bouteille
- Passe la bouteille sous l’eau chaude
- Que se passe-t-il ?
Expérience 2
- Ouvre la bouteille (ou enlève le ballon si tu viens de faire l’expérience 1)
- Passe la bouteille un moment sous l’eau chaude
- Mets rapidement un ballon sur le goulot de la bouteille
- Passe la bouteille sous l’eau froide
- Que se passe-t-il ?
Alors, à ton avis, comment cela fonctionne?
Vérifie ton raisonnement avec les explications ci-dessous :
Au début des deux expériences, il y a de l’air dans la bouteille. Le ballon que tu mets sur le goulot va fermer la bouteille, l’air ne peut ni sortir, ni entrer. Chaque expérience va faire changer la température de l’air emprisonné dans la bouteille.
Dans l’expérience 1, en faisant couler de l’eau chaude sur la bouteille, tu as chauffé l’air qui est dedans. Lorsque l’air chauffe, il se dilate. Cela veut dire qu’il prend plus de place. La bouteille étant plus rigide que le ballon, l’air va aller dans le ballon et le gonfler.
Dans l’expérience 2, tu as commencé par faire chauffer l’air qui est dans la bouteille. Une fois la bouteille fermée par le ballon, tu as refroidi l’air dans la bouteille en la passant sous l’eau froide. En refroidissant, l’air va se contracter. Cela veut dire qu’il prend moins de place. En se contractant, l’air va “aspirer” le ballon à l’intérieur de la bouteille.
Maintenant que tu as compris, tu peux, d’ailleurs, refaire ces expériences en augmentant la différence de température entre le froid et le chaud:
- pour le froid, en mettant la bouteille vide au réfrigérateur, en utilisant de l’eau sortie du réfrigérateur ou de l’eau avec des glaçons dedans
- pour le chaud, en utilisant l’eau de la bouilloire (avec l’aide d’un adulte)
Expérience supplémentaire
(ou si tu n’as pas de ballon à la maison)
Matériel
- une bouteille en PET (1 ou 1,5 litre) avec son bouchon
- une paille
- un bout de patafix, un chewing-gum, ou un bout de pâte à tarte (ou à pizza)
Préparation de l’expérience
- Fais un petit trou dans la bouteille, à peu près à mi-hauteur
- Passe la paille dans le trou, fais-la descendre jusqu’en bas de la bouteille
- Colmate le trou autour de la paille avec la patafix
- Mets de l’eau dans la bouteille, jusqu’à un peu en dessous du trou (tu peux colorer l’eau avec du colorant ou un peu de sirop)
- Ferme la bouteille avec le bouchon
- Vérifie que le montage avec la patafix est étanche : si tu presses un peu sur la bouteille, de l’eau doit sortir par la paille. Sinon, vérifie comment tu as bouché le trou autour de la paille
- Mets ta bouteille dans l’évier
- Fais couler l’eau chaude sur la bouteille
Que se passe-t-il ? Et pourquoi ?
Vérifie ton raisonnement avec les explications ci-dessous :
En faisant couler l’eau chaude sur ta bouteille, tu vas réchauffer l’air qui est emprisonné dedans. En se réchauffant, l’air va prendre plus de place et pousser sur l’eau qui est dans la bouteille. L’eau va chercher une sortie et trouver la paille. Une partie de l’eau contenue dans la bouteille va donc sortir par la paille.
Pour aller plus loin
L’air
L’air est un gaz, ou plutôt un mélange de plusieurs gaz. Un gaz c’est de la matière dont les molécules sont très faiblement liées entre elles et qui sont animées de mouvements désordonnés. Plus on chauffe un gaz, plus ses molécules vont s’agiter et prendre de la place.
Ce qui se passe dans la bouteille quand on la chauffe
Pour imager ce qui se passe, remplaçons la bouteille par une salle de gym et les molécules d’air par des enfants qui bougent. Au départ les enfants marchent et dès qu’ils cognent un mur ou un autre enfant, ils font demi-tour et repartent. Imaginons que 3 murs de la salle sont fixes et que le dernier est mobile, mais qu’il faut une certaine force pour le bouger (c’est le ballon sur la bouteille). Quand les enfants marchent, il arrive que plusieurs enfants viennent taper en même temps dans le mur mobile, mais la force qu’ils exercent sur ce mur à ce moment-là n’est pas suffisante pour le faire bouger. Maintenant, si les enfants courent de plus en plus vite (comme les molécules quand on les chauffe), ils vont taper de plus en plus fort quand ils rencontrent un mur et il y aura aussi de plus en plus d’enfants qui toucheront en même temps un mur. Cette fois, le mur mobile va se mettre à bouger car la force exercée sur lui est plus importante. C’est ce qui se passe avec le ballon quand on chauffe les molécules contenues dans la bouteille.
L’air chaud qui monte
Quand un gaz se dilate, sa masse ne change pas mais son volume augmente. Donc à volume égal, un gaz dilaté sera plus léger que le même gaz non dilaté.
C’est pour cela que l’air chaud monte. On dit couramment que l’air chaud est plus “léger” que l’air froid, mais plus précisément un certain volume d’air chaud est plus léger que le même volume d’air froid.
C’est ce principe qui est utilisé pour faire voler les montgolfières. Le pilote du ballon fait brûler du gaz pour chauffer l’air contenu dans le ballon et celui-ci devenant plus léger que l’air autour du ballon, il va faire monter la montgolfière.
Filme ou photographie, toi aussi, ton expérience et partage nous ton résultat sur les réseaux sociaux :
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