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1. vapocondensation Cycle de l eau Collection de l Atelier d exploration Conception lt vapecondensetion Billet Lencogihen u Cyce de Fenu P Bastide Conseillers scientifiques L Dufresne Y Grandpeix A Lahellec quipe Ramses LMD CNRS M Cloupeau A rothermie CNRS G veloseernent Pasqualini Del glise L exposition scientifique interactive 1 Contenu scientifique L air humide nergies mises en uvre lors de l volution de l air humide Refroidissement par vaporation Transport d nergie par vaporation condensation 2 Description des manipulations Les id es forces de la communication Comment l atmosph re est elle r chauff e par la terre Le cycle de l eau 3 Exploitation p dagogique R aliser les manipulations vapocondensation et Cycle de l eau faible co t La formation des nuages Utilisation du pare vapeur dans l isolation d un b timent Utilisation de l nergie solaire pour distiller l eau vapocondensation Cycle de l eau Introduction Le cycle de l eau est sch matiquement le suivant sous l effet de l vaporation la surface des oc ans et des continents de l vapo transpiration des animaux et des v g taux l air s humidifie Charg de vapeur d eau il se refroidit au cours de son ascension et se condense en nuages Le refroidissement des nuages ram ne cette eau sur les oc ans et les continents sous forme de plui2. _ impliquer le visiteur ne poss dant pas de connaissances scientifiques pour l inciter interpr ter et approfondir ce qu il observe En ce qui concerne la mani re d impliquer et de motiver ce dernier nous avons labor des situations communicationnelles qui provoquent le d clenche ment d un conflit cognitif entre ce qu il pr voit en r ponse une question et le r sultat constat par l exp rimentation du ph nom ne Ce conflit doit stimuler son int r t et l inciter trouver une r ponse cette diff rence maintenant ainsi son attention Le visiteur doit comprendre tr s rapidement que s il joue ventilateur thermom tre bulbe sec Psychrom tre Cet appareil servant mesurer la temp rature humide est constitu de deux thermom tres l un bulbe sec et l autre bulbe humect plac s dans un courant d air Pour humecter le bulbe d un thermom tre on le recouvre d une m che textile plong e dans de l eau distill e l eau monte par capillarit La vitesse de l air autour du bulbe doit tre suffisamment lev e pour que les changes de chaleur soient significatifs de l ordre de 2 m s 5 m s pour un bulbe de 7 mm de diam tre environ Pour faire comprendre le principe du refroidissement il faut placer un thermom tre dans l eau et poser la question Pour quoi avec de l eau la m me temp rature que l air obtient on une temp rature plus faible le r le qu on lui
3. chauffe se dilate et monte Au contact de la surface sup rieure et des bords cet air se refroidit devient plus lourd et redescend Il y a mouvement convectif voir la manip convection La puissance thermique transport e par convection peut se mettre de fa on approch e sous la forme P D Cp AT A d bit masse de l air kg s Cp chaleur sp cifique de l air J K kg DT diff rence de temp rature entre le bas et le haut du r cipient Cette puissance transmise par l air en haut et aux bords du r cipient est son tour vacu e vers l ext rieur air ambiant enceinte par convection et par rayonnement infrarouge Perturbation apport e par l vaporation condensation On part de la m me situation thermique que ci dessus m me DT m me D m me change infrarouge En bas du r cipient on d pose un film d eau la m me temp rature que la surface inf rieure du r cipient Cette eau s vapore et on consid re que l air juste au dessus de ce film d eau est satur en humidit Bien qu il y ait vaporation la temp rature du bas du r cipient reste inchang e gr ce au thermostat la puissance de chauffe disponible est plus grande que celle qui est utilis e En haut du r cipient la temp rature est plus faible et la teneur en eau ne peut tre sup rieure celle cor respondant la saturation en humidit cette temp rature La diff rence de temp rature AT entre le bas et le
4. rature s che Une situation limite est celle o l air poss de une humidit relative de 100 il ne peut y avoir vaporation la temp rature humide est gale la temp rature s che Le diagramme simplifi de l air humide fig 1 tabli pour une pression atmosph rique normale donne les tats du m lange air vapeur d eau en fonction de la temp rature s che et de la teneur en eau g kg d air sec vapocondensation Cycle de l eau i gure 2 Nu i BAL Quelle est la puissance radiateur o circule de l eau une temp rature lt T isolation ro v por saton Di 25 45 air avant 9 gkg d air sec pas d change d nergie L encent e ast isol e avec l ext rieur m Es om y v porisaton air apr s T Xe Refroidissement de l air par une source froide Refroidissement de l air par injection de 1 g d eau l humidit sp cifique entre l entr e et sortie varie en fonction de lo condensation d eau sur le radiateur LE TB TS ETIT FEAT ALT RUE ES ET ANNE SES ATEN N Pression atmosph rique 1013 mb ARHRREBERACERARGEE S CrO enr Tr 7 Bime ie Er pE ee a Er T LAS PRE a Aa CUA aii ALNE 1 HIS SN 7 IE ENSUE Al LIT j ep T PU PAT NN te TENEUR EN EAU g kg d air sec Q Ld i Mi Lie i Le Par NU i PTE PRIT IL LE NET ASE EN EL LU NL NE L IN ET LT 1 et LT DIT NUL L
5. en sc ne le cycle de l eau et de chaque c t sont pr sent s les ph nom nes de chaleur latente d vaporation et de condensation De notre point de vue la manipulation vaporation condensation marque une date dans l volution de la manipulation interactive d exposition On passe d une logique o les messages communiquer sont d finis par les codes des metteurs une logique de communication orient e par la mobilisation de l int r t du visiteur et par les codes des destinataires Dans la premi re perspective la manipulation est interpr t e par le visiteur en fonction de son propre savoir les informations compl mentaires sont g n ralement peu lues Si le visiteur est parti culi rement peu averti par rapport la chose expos e son interpr tation tr s souvent erron e se fera sur les aspects annexes ou en fonction de ses propres capacit s d apprendre En fait il s agit de contribuer la r solution de la question comment apprendre de nouvell s connaissances avec les anciens savoirs En g n rant un conflit cognitif une tension provoqu e par l cart entre ce que le visiteur croit et la r alit de l exp rience la manipulation doit susciter une interrogation induisant une premi re interpr tation qui tout en tant fond e sur des connaissances communes reste coh rente avec le contenu scientifique telle est notre hypoth se de travail L effet final souhait en terme de com municat
6. glaciaires arctique et antarctique 25 millions de km les eaux souterraines 8 5 millions de km les lacs et rivi res 0 2 millions de km et enfin les tres vivants 0 0006 millions de km Ces chiffres ne repr sentent que des ordres de grandeur ils n ont qu une valeur indicative l estimation des eaux continentales varie selon les auteurs L eau dans l atmosph re se trouve l tat de vapeur de liquide et de solide ou de glace le nom atmosph re vient du grec vapeur et sph re elle constitue l enveloppe gazeuse qui entoure le globe terrestre L air est un m lange complexe dont les caract ristiques varient dans l espace et dans le temps en fonction de ce qu on y rejette ou de ce qu on y pr l ve Dans le premier paragraphe nous rappelons les principaux concepts de l hygrom trie la science qui tudie l tat humide de l air et dans les suivants les nergies mises en uvre par les transformations de l eau L air humide L air humide peut tre consid r comme un m lange de deux gaz parfaits l air et la vapeur d eau chacun des deux gaz poss de une pression partielle gale celle qu il aurait s il tait seul la pression totale est la somme des pressions partielles l tat du m lange est d fini par sa temp rature et les pressions partielles des deux gaz Cet tat de type gaz parfait n existe que dans un domaine limit de concentration en vapeur d eau pour une temp rature donn e la q
7. haut du r cipient entra ne une diff rence de teneur en eau AQ L air dans son mouvement de convection entra ne la vapeur d eau dont une partie se condense lorsque l air se refroidit Ainsi la puissance transport e par convection comporte une puissance thermique d une part sous forme sensible comme pr c demment et d autre part une forme latente l eau qui s vapore en bas et se condense en haut P D Cp AT D AQ L L chaleur latente vapocondensation Cycle de l eau lout fois ne m aligrons pas L r e heurislique det montages artisanaux C est en cp rimentant des dispositifs ires simples dt pou cobt ux que nous avons pu simplifier les solutions L valution enire le premi re el la derni re g n ration s est faite ur de ame Celie dur e concile avec celle que reguiert la alisalion d s manipulations de l Exploratorium de San Franche Dans Le caire habituel des expositions avec des d lais Lr s couris et des Badgets himili ces longs d veloppements soni Te n T agom paii Ave le recours la sous traitance doni les co ts lev s ne permelleni pas celle aclivit de recherche el d E la L i i i diilo ppimeh Seule un d livil de recherche l d d veloppement halerne Satisfait ces contraintes Cr Comme les centres d cr ation de nouvelles manips sont pru nombreux de par le monde est pas tonnant que celles ci soient rares Pour un m me d bit convectif D et pour une m me diff
8. ici pour simplifier une ligne iso nerg tique passant par A Ensuite on cherche son intersection avec la ligne de teneur en vapeur d eau de 1 g plus lev e 10 g kg on trouve une temp rature de l ordre de 22 3 C fig 6 L abaissement de temp rature de 2 7 C est compatible avec celui trouv pr c dem ment vu les approximations effectu es Si on continue vaporer de l eau partir de la situation pr c dente on voit sur le diagramme de la figure 6 que l on peut abaisser les temp ratures de l air jusqu 17 C point E Apr s cela l air est satur en humidit l vaporation de l eau n est plus possible L exposition scientifique interactive Remarque Dans l exp rience ci dessus de l eau est inject e dans le volume d air une temp rature de 50 C la place de 25 C On peut faire le raisonnement sch matique suivant l eau est d abord refroidie jusqu 25 C puis elle s vapore dans les m mes conditions que pr c demment Lorsque l air se refroidit de 50 C 25 C il fournit une nergie thermique l air E M Cp eau AT 10 4 2 10 25 100 Cette nergie l ve la temp rature de l air de AT E Cp air 100 10 0 1 C On voit alors que le fait d injecter de l eau 50 C plu t t qu 25 C ne modifie presque pas la temp rature finale de l air humide L exp rience vaporation de la manip est fond e sur ce principe Transfert d
9. lt E stratocumulus S cumulus C cumulonimbus Cb stratus S LE r naar inf rieur t Le gt 0 La 0 2 km R partition des nuages selon l altitude Figure 28 d tente N vent condensation 4 ST die Be a an E IA compression liquide D l air est moins humide et plus chaud qu en A T Le f hn est un ph nom ne ai g n re Ja pr cipitations au vent de la montagne en amont du relief l chauffement et l ass che ment de l air sous le vent de la montagne en aval du relief vapocondensation Cycle de l eau pression atmosph rique normale en contact avec une grande tendue d eau la temp rature T eau Pour simplifier nous supposerons que l eau fournit la chaleur latente d vaporation et que sa temp rature reste constante Nous appellerons e la pression partielle de la vapeur d eau dans l air es T air la tension de vapeur saturante dans l air la temp rature T air et es T eau la tension de vapeur de l eau la temp rature T eau Nous distinguons deux cas l air est plus chaud que l eau T air gt T eau donc e T air gt e T eau gt e Pr s de la surface l eau s vapore jusqu ce que e e Teau L humidit est entra n e par diffusion turbulente dans l air plus lev et plus chaud pas de condensation l air est plus froid que l eau et peu humide T air lt T eau e T eau gt e T air g
10. solutions trop simples comme le thermom tre humide fig 7 qui n apporte rien au visiteur on ne voit pas ce qui se passe au niveau du bulbe recouvert d un mat riau humide ou des solutions plus sophistiqu es correspondant des dispositifs de traitement de l air qui ne sont pas facilement compr hensibles Notre volont de concevoir et de r aliser des manipulations efficaces et de grande qualit s est traduite par de nombreux d bats Il s agissait pour nous d explorer l ensemble des solutions et de pr voir le comportement du public de fa on retenir la solution qui a priori offre la meilleure communication Notre projet d innovation en communication mus ale Notre projet a port sur l tude de dispositifs qui suppriment certains des obstacles que le public rencontre pour interpr ter le contenu scientifique mis en sc ne dans une manipulation commencer par l utilisation de connaissances trop sp cialis es II ne suffit pas d agir selon un mode d emploi partiel lement lu et d observer le ph nom ne d clench pour comprendre La d marche traditionnelle privil giant le mode d emploi comme m diateur entre la manipu lation et le public se traduit souvent par l abandon de la consultation par un public ignorant ou peu averti du contenu expos d s la premi re tentative d exploration Nous avons tudi deux types de solutions situer la manipulation dans un contexte familier et facilement compr hensible
11. ves montrent que la compr hension des concepts n est pas stable dans la dur e Le ph nom ne d vaporation peut tre compris neuf ans mais pr senter des difficult s de compr hension quelques ann es plus tard En revanche le taux de 2 Bar V Travis A S Children s Views Concerning Phase Changes journal of Research in Science Teaching vol 28 n 4 1991 pp 363 382 apport paf chaleur latente et sensible vaporation diminution de la temp rature 2 La vaporisation refroidit Y a t il de l eau dans l air Potier surface brillante Tournez le bouton jusqu ce que de fines gouttelettes apparaissent La temp rature indiqu e est celle de la ros e La vapeur d eau est un gaz en permanence dans l air laboration des concepts de la manipulation sur l vaporation condensation P ip po bonnes r ponses est meilleur lorsque le question naire est pass apr s une action p dagogique sur ce th me Chaleur ou temp rature Les changements de phase par vaporation et condensation sont des ph nom nes dynamiques d changes de chaleur et de mati re Ils sont tudi s avec les outils conceptuels de la thermodynamique qui posent de nombreux probl mes de compr hension Des tudes de didactique des sciences ont montr que les coll giens et m me les tudiants confondaient l nergie chaleur et la temp rature Ce cons
12. AIS PAS FAITES L EXP RIENCE Ma eraud pete cateur d temp rature ed MIPE CHALEUR LES BASES DE DEUX R CIPIENTS L UN CONTENANT DE L EAU L AUTRE UN PEU D AIR SONT CHAUFF S LA TEMP RATURE ES 2 LA SURFACE SUP RIEURE DU R CIPIENT CONTENANT DE L EAU EST ELLE choisissez et appuyez PLUS CHAUDE MOINS CHAUDE M ME TEMP RATURE QUE CELLE DU R CIPIENT SANS EAU V RIFIEZ VOTRE REPONSE md ET ET tapes de la manipulation sur l vaporation condensation g n ration 2 volution des manipulations Une premi re g n ration de manipulations a consist en W ralsatlon de maguetles de faisabilit Dans la suivante on d intr dent d s panneaux privikgianl de krie fig 16 Dans la troisi me fig LL o a r duit ta place du texte auauel des achemas oni rh dires ci la guaine Pi DENT ACTU sl Caracl ns e Par d Se CT GMA dr manipulations dans ui d cor glisle en deux dimensions On peul d ores gl d id cuproser due la prochaine introduire la troisi me dimension am lierant ainsi le r alisme ei l moignant d un sens artistique el esth tique susceptible di simuler davantage l molionn l du vileur Pour celd on fera appel d un cr ateur qui r alisera un objel en rapport avec les principales caracte IT r n FT Fra Leri J F ETO rT mu ristiques de l atmosph re a ret couleur lumi re esracs Exp rience sans changement de phase On chauffe le bas du r cipient L air en bas s
13. EUR DIE TANT ANNA PAREN RTR va je ARR NT NET IN 1 Meet NE f ie PNA H I UT A l Diagramme psychom trique Source d apr s la documentation Rexair L exposition scientifique interactive Figure 4 Extrait du diagramme psychrom trique La temp rature s che est donn e par un thermom tre bulbe sec et la temp rature humide par un thermom tre bulbe humidifi avec une bande en tissu mouill L enthalpie est l nergie totale travail chaleur latente chaleur sensible n cessaire pour porter le m lange air eau de O C la temp rature consid r e Figure 5 vole SPACE mYEg d air sc Ci MO CO ds a TENEUR EN EAU igka d air soc pr B Gt a Gg D 12 3 15 20 25 TEMP RATURE S CHE Ci D finition de l tat d un air humide sur diagramme psychrom trique Etat de l air en A temp rature s che 25 C humidit relative 45 teneur en eau 9 g kg d air sec volume sp cifique 0 856 m kg d air sec Le point de ros e B est obtenu par refroidissement sensible de l air teneur en eau constante hg E b En 2 5 To ne c2 TENEUR E On peut utiliser ces diagrammes pour passer d une d finition de la quantit de vapeur d eau une autre Par exemple partir d une mesure de la temp rature s che de l air 25 C et d une temp rature humide 17 C on positionne le point A sur le diagramme fig 5 On peut y lire que cet ta
14. Notons que le diagramme fig 5 n est valable que pour la pression de 1013 hectopascals Pour une temp rature donn e la quantit d eau par unit de volume saturation tant fix e une pression totale plus faible signifie une teneur en eau plus lev e plus de grammes d eau par kilogramme d air sec Comment se fait le refroidissement Par rayonnement par ciel clair le sol se refroidit plus fortement que par ciel nuageux voir le dossier Effet de serre de l atmosph re Et par vent faible non nul l agitation de l air dans les couches en contact avec le sol froid favorise le refroidissement des couches situ es au dessus Dans ces conditions se forment une brume et un brouillard dit brouillard de rayonnement Par advection une masse d air chaud et humide en contact avec une surface terrestre froide se refroidit Ce refroidissement peut produire la condensation de la vapeur d eau pour cr er un brouillard d advection stratus c tiers en bordure de mer en automne et hiver Figure 26 venimu bratmi des Di A one orphna gibamo de 20 pau dQ I chaut e titss ron Ve S ON e 5 paubneat eunr da parfum er c s mnn nen s nmmn naa os ga al r Sa na ca nama a a ma n aaa a aan a aana komi sup rieur mhnlimd bord sup nsur aiad ar laili aliment en malle d aburrinau iini sara i dont icons r cent en plastique i tenpe bouteille kanl giton tond inf
15. assigne la r compense son travai sera la compr hension de ce ph nom ne R duire la place de l crit et privil gier le visuel Les tudes en mus ologie montrent que la plupart des visiteurs lisent peu les vignettes ou les panneaux moins que les conditions de lecture soient bonnes Il est vrai qu une fraction importante du grand public pr sente des difficult s de lecture Nous devons donc int grer du texte sans faire fuir le visiteur difficult d autant plus grande que le texte fait d buter la consultation d une manipulation Pour compenser le manque d attrait du peu de texte qu il faut n anmoins placer ne serait ce que comme mode d emploi nous avons cherch d velopper le c t visuel attractif L exposition scientifique interactive Figure 8 L atmosph re est une pompe chaleur elle refroidit la terre par vaporation de l eau en surface et elle restitue la chaleur absorb e par l vaporation pendant la condensation de la vapeur d eau plaque chauffante condensation augmentation de la temp rature La condensation apporte plus d nergie que la convection temp rature eau chaude temp rature air sec temp rature air humide ventilateur pulv risateur nn Int grer dans le processus de conception les repr sentations du public volution de la compr hension du ph nom ne d vaporation Les tudes portant sur les repr sentations des l
16. e on place successivement dans la m me cloche les deux mat riaux sec et humide chauff s par une r sistance r gul e en temp rature Lorsqu il y a condensation la temp rature du d me faible inertie thermique augmente Ce dispositif n cessite trop d op rations pour un fonctionnement satisfaisant L vaporation de l eau provoqu e par son r chauffement l aide de spots de forte puissance et la condensation sur une paroi en acier inoxydable poli refroidie par ventilation ont lieu dans une bo te tanche Celle ci est constitu e par un fond et un couvercle inclin en acier inoxydable et des parois verticales en altuglas La pr sence de bu e est montr e par un essuie glace que le public en appuyant sur un bouton fait pivoter L exposition scientifique interactive de quatre vingt dix degr s Le refroidissement par convection forc e l aide de ventilateurs est insuffisant pour vacuer la plus grande part d nergie de condensation Afin d accro tre la quantit d eau condens e on peut assurer un meilleur refroidis sement de la face inclin e en la recouvrant d un tissu vaporation __ feutrine noire imbib e d eau A _ _ s n Coupe de la manip Figure 22 parer cTiTiQLEU ss fi m a pe ZA _ an inox CAN Mar ou buvard imbib e d eau qui va s vaporer sous l action de l air puls On peut aussi pulv riser de l eau prox
17. e de neige et de gr le Une partie de cette eau s vapore et reprend le m me trajet Une autre ruisselle ou s infiltre dans le sol L eau qui ruisselle la surface des continents alimente les cours d eau et aboutit la mer o elle subit nouveau l vaporation L eau qui s infiltre assure l hydratation de l humus et des couches superficielles des sols elle constitue les eaux souterraines et en particulier la nappe phr atique L vaporation de l eau du soi des v g taux des oc ans vers l atmosph re n cessite l apport d une grande quantit de chaleur chaleur latente d vaporation qui est restitu e au cours de la condensation de la vapeur d eau dans l atmosph re Dans le bilan thermique voir dossier Bilan thermique du syst me surface de la terre atmosph re l vaporation condensation constitue le plus grand change de chaleur entre la terre et l atmosph re 85 W m comparer aux autres changes par rayonnement infrarouge 60 W m et par convection 15 W m Le cycle de l eau et les ph nom nes thermiques qui lui sont associ s font partie des principes fondamentaux qu il faut comprendre pour appr hender les probl mes tels que le changement climatique et les interactions climats v g taux L objectif des deux manipulations de ce dossier est de pr senter le cycle de l eau simplifi et les changes thermiques qui lui sont associ s Elles forment un triptyque interactif le noyau central met
18. e la vapeur d eau est la partie de la pression atmosph rique totale exerc e par la vapeur d eau Par cons quent la pression atmo sph rique est gale la pression de l air sec ajout e la pression de la vapeur d eau gaz parfaits Le volume sp cifique On pr f re rapporter le volume occup par l air humide l unit de masse d air sec rapport exprim en m par kg d air sec Le rapport de m lange ou teneur en eau est la masse de vapeur d eau contenue dans un volume d air humide renfermant l unit de masse d air sec exprim e en gramme ou kilogramme d eau par kilogramme d air sec L humidit sp cifique est la quantit d eau en gramme par kilogramme d air humide L humidit relative pourcentage de saturation de l air est le rapport entre la quantit de vapeur d eau pr sente dans un volume donn et la quantit maximale de vapeur d eau pression de vapeur saturante admissible dans le m me volume La temp rature de saturation ou de ros e point de ros e est obtenue en refroidissant une surface plac e dans de l air humide dont l hydrom trie est constante C est la temp rature laquelle de la bu e tr s fines gouttelettes d eau commence appara tre sur cette surface La temp rature humide est la temp rature laquelle un thermom tre au bulbe thermique constamment humect se stabilise dans un flux d air Du fait de l vaporation cette temp rature est inf rieure la temp
19. ement int rieur fig 30 Utilisation de l nergie solaire pour distiller l eau Le dispositif suivant est d crit par A Clark La source d nergie qui simule le rayonnement solaire est constitu e de trente spots lumineux dix huit lampes de 150 W et douze lampes de 75 W soit une puissance totale de 3600 W Ces lampes au tungst ne mettent la plus grande partie de leur nergie sous la forme du rayonnement infrarouge lequel est arr t par une plaque de verre refroidie par un ventilateur Seul le rayonnement lumineux visible chauffe le distillateur La r partition des lampes de 75 W permet de faire varier le flux lumineux tout en gardant une homog n it de l clairage L tanch it doit tre parfaite et la cuve bien isol e par une paisseur de polystyr ne extrud sup rieure 10 cm Le rendement h est gal m hv l A dt avec m masse d eau condens e en g pendant la dur e dt 3 Clark The steady state performance of a solar still Solar energy vol 44 n 1 1990 pp 43 49 hv nergie latente d vaporation J g I nergie incidente W m A surface de la vitre Le flux d vaporation est d fini par la formule m 0 35 h c P sat eau P sat vitre avec P sat en atmosph re h c coefficient de convection modifi W m k par la diffusion de la mati re h c 0 884 T eau T vitre 2016 P sat eau 1 P sat eau P sat air T eau 1 3 La chal
20. ergie thermique 590 unit s de chaleur pour gramme de vapeur d eau Chaleur qui rd r chautta la surface sup rieure Panneaux mobiles psychrom tre en tant que manip Si l air 20 C n est pas satur en vapeur d eau on peut le refroidir en vaporisant de l eau chaude 50 C L eau pulv ris e s vapore et la transformation de un gramme d eau en vapeur d eau absorbe 2 500 j ou 590 calories Cette quantit est sup rieure aux 126 ou 30 calories lib r es par l abaissement de temp rature de 1 g d eau de 50 C 20 C Il en r sulte que l vaporation de l eau chaude prend de l nergie thermique l air d o son refroidissement Autrement dit on peut refroidir avec de l eau chaude ce qui semble paradoxal Figure 13 ES temp rature tem perature POSE e louhan tes dessus des deux r cipients i p L Di i i ue a En NT R CENT pinak pissin a mm heina DYTA WRS d MM D tails de la manip condensation vapocondensation Cycle de l eau R alisation fig 8 9 11 15 l aide d un bouton poussoir le public agit directement sur un syst me de vaporisation utilis en parfumerie L eau provient d un r cipient par l interm diaire d un tuyau en cuivre L eau est chauff e durant son parcours gr ce une r sistance flexible fix e le long de la conduite Cette r sistance est aliment e par un r g
21. eur transmise de l eau au vitrage est q h c T eau T vitre Figure 29 pee lama mai CORTE D tente adiabatique Figure 30 Emplacement du pare vapeur vapocondensation Cycle de l eau Figure 31 Teau 91 C EEEE n eau 55 C 952 flux solaire en Wime Distillateur solaire et rendement de l vaporateur
22. imit des ventilateurs les fines gouttelettes dans le flux d air s vaporent alors imm diatement lorsqu elles entrent en contact avec la surface inclin e En refroidissant la plaque on augmente cette masse d eau par unit de temps Pour faciliter les changes de chaleur la plaque en acier inoxydable est recouverte par une plaque en cuivre L essuie glace est actionn par un motor ducteur Pour faciliter l vaporation on utilise de la feutrine noire pos e sur un support de t le perfor e L ensemble est immerg dans l eau contenue dans le r servoir Ce dispositif n cessite une faible quantit d eau il a donc une inertie thermique r duite La chaleur est absorb e par la feutrine imbib e d un peu d eau de telle sorte que la temp rature de la surface sup rieure est relativement lev e En isolant le dessous de la feutrine et les bords lat raux de la cuve on diminue les pertes thermiques une parfaite tanch it doit tre assur e car la vapeur d eau s chappe par la moindre ouverture La condensation est inexistante sur la face avant r alis e en altuglas car celle ci est chauff e par le rayonnement infrarouge mis par les spots d clairage Dans le but de favoriser une bonne compr hension du ph nom ne nous avons adjoint un d cor l gend illustrant de fa on simple le cycle de l eau dans l atmosph re et le m canisme de la manipulation AED 05 FD ours paral d comian nr mema 4 4 parois i Tapi
23. ion est de d clencher chez le visiteur le d sir d en savoir plus La mise en sc ne d un ph nom ne centr e sur l un de ses aspects surprenants et l int gration du dispositif exp rimental dans un panneau contexte explicatif une question est pos e au visiteur qui contr le sa r ponse en exp rimentant le ph nom ne sont les deux cl s de cette innovation mus ologique Notons que cette manipulation est le r sultat de plus de dix ann es de recherche action sur l am lioration de la qualit et de l efficacit communicationnelle de ce nouveau m dia Ces deux manipulations sont en troite relation avec les manipulations Comment la terre est elle chauff e par le soleil et Interaction climat v g taux qui en pr sentant le ph nom ne d vaporation transpiration montrent que la seule prise en compte du rayonnement solaire ne permet pas d expliquer les temp ratures de la surface de la terre La recherche actuelle sur l environnement globalise les ph nom nes qui jusque l taient tudi s s par ment d o notre pr occupation dans le choix des th mes et de la mise en sc ne de leur interd pendance L exposition scientifique interactive 1 Contenu scientifique L hydrosph re est compos e de trois r servoirs d eau les oc ans 1 350 millions de km les continents 33 7 millions de km et l atmosph re 0 013 millions de km Sur les continents l eau se r partit entre les calottes
24. ire est gale la puissance P correspondant l air sec plus un terme d la condensation de la vapeur d eau Pour refroidir de l air satur en humidit il faut extraire davantage d nergie il faut une source froide plus puissante que pour refroidir de l air sec Exemple num rique T 25 C T 15 C 1 2 C kg P A 10 10 10 A en watt Les teneurs en vapeur d eau la pression atmosph rique correspondant de l air satur aux temp ratures T et T sont respectivement fig 5 Q 20 10 kg d eau kg d air sec Q 10 5 10 kg d eau kg d air sec comme L 2 5 10 J g on obtient P A Cp T T L Q 0Q P A 10 2 5 10 9 5 10 P 3 4 10 A en watt Lorsqu il y a condensation quel que soit le d bit d air la puissance extraire est dans notre exemple trois quatre fois plus lev e que lorsqu il n y a pas condensation En se pla ant d un point de vue diff rent on peut galement dire qu avec un m me d bit et une m me diff rence de temp rature l nergie thermique la quantit de chaleur transport e par de l air est beaucoup plus lev e lorsqu il y a condensation que lorsqu il n y en a pas C est ce principe qui est utilis par l exp rience de la manip condensation 2 Descript vapocondensation Cycle de l eau Ion des manipulations Les id es forces de la communication viter le facile et le compliqu Nous avons rejet des
25. iri y of Augie outre amiti Taai rue lala d un suppor F dn ha njaur d mer 3 q F ra F Le F F Pa Tii m Dimensions vapocondensation Cycle de l eau Figure 24 Cycle de l eau raccordement et localisation des composants vue arri re de la manipulation Le sch ma de raccordement du relais temporis et du bouton poussoir lumineux qui commandent le balai essuie glace est simplifi l extr me Pour cette raison l alimentation n y est Vue g n rale de la manipulation pas repr sent e Fiqure 25 Hi NES 5y s eme A E e a RE Li VO UE N i R ne COMIT CE Ca a lan ge k ne tie A NE en i F zF 3 net 5 ezi Il D cor de la manip L exposition scientifique interactive 3 Exploitation p dagogique R aliser les manipulations vaporation et Condensation faible co t Pour exp rimenter l vaporation il suffit d un pulv risateur de parfum d un chauffe biberon ou d un autre producteur de chaleur d un ventilateur et d un thermom tre Il est possible avec un chauffage plusieurs vitesses de faire varier la temp rature de l air fig 26 Pour le dispositif de condensation on utilise des bocaux de faible paisseur que l on ferme avec une feuille d aluminium m nager coll avec du silicone Le chauffage est assur par une plaque chauffante de r cup ration m La formation des nuages Un nuage est un mi
26. lieu h t rog ne constitu par de l air sec de la vapeur saturante de l eau liquide temp rature positive ou n gative des cristaux de glace des particules solides sable poussi res sel marin des particules de liquides non aqueuses La cause principale de la formation des nuages bas est le refroidissement qui lorsqu il est suffisant produit la saturation de l air humide condensant sous la forme de gouttelettes d eau en pr sence de particules solides en suspension appel es noyaux de condensation Ces noyaux de condensation peuvent tre de minuscules cristaux de sel qui ont tendance attirer et capter la vapeur d eau environnante ils doivent tre en nombre suffisant pour que la condensation se produise La saturation de l air humide par refroidissement s exprime pr cis ment partir du diagramme de la figure 5 en refroidissant par exemple l air d fini par le point A 25 C 45 d humidit 9 g de vapeur d eau par kg d air sec on atteint le point de ros e en B 12 3 C 100 d humidit toujours 9 g de vapeur d eau par kg d air sec En poursuivant le refroidissement jusqu 0 C on obtient de l air toujours satur contenant 4 g de vapeur par kg d air sec les 5 g restants de vapeur d eau par kg d air sec se condensent et participent la formation des nuages La teneur en eau des nuages varie de 0 5 g kg de nuage nuage stable du type Altostratus 5 g kg pour un nuage convectif Cumulus l
27. llision avec les gouttelettes d eau surfondue L agr gation des particules a pour effet d augmenter le poids des cristaux Il en est de m me avec des gouttelettes de diam tre sup rieur 30 microns qui entrant en collision provoquent un accroissement rapide de leur masse L exposition scientifique interactive Les effets Bergeron et de coalescence interviennent ensemble pour des particules de diam tre sup rieur 100 microns et inf rieur 400 microns Au del seul l effet de coalescence agit Les cat gories de nuages Les nuages pr sentent une infinie vari t de formes Toutefois les m t orologistes d finis sent un nombre limit de formes types genres qui peut se d composer en esp ces et vari t s On les regroupe en familles selon leur altitude ou leur hauteur fig 27 Utilisation du pare vapeur dans l isolation d un b timent L isolation ou la r sistance thermique d un mur est d l air pi g dans les alv oles d un mat riau isolant tel que le polystyr ne extrud la laine de roche la laine de verre Si de l eau provenant de la condensation de l air vient occuper ces cavit s les propri t s thermiques de l isolant s en trouvent d grad es l int rieur du mur la temp rature peut descendre en dessous du point de ros e Par cons quent il est n cessaire de placer un pare vapeur ou barri re du c t int rieur du mur entre la couche d isolation et le rev t
28. nergie thermique par vaporation condensation On consid re une canalisation dans laquelle circule de l air avec un d bit fixe il p n tre une temp rature T Calculons la puissance P qu il faut extraire pour refroidir en sortie cet air une temp rature T T lt T selon que l air est satur en humidit ou pas fig 3 Prenons tout d abord un air li e sec la puissance s crit P A Cp T T en watt d bit masse de l air kg s Cp chaleur sensible pression constante 10 J K kg Consid rons ensuite un air qui entre satur en humidit dans la canalisation Sa temp rature est T et son contenu en vapeur d eau est Q Quand l air se refroidit en traversant la canalisation de la vapeur d eau se condense voir L air humide On suppose que le dimensionnement et le r glage sont tels que la temp rature de l air en sortie est T comme pr c demment que l air est toujours satur en humidit et que sa teneur en vapeur d eau est Q La puissance extraire est maintenant P A Cp T T A L Q Q D repr sente toujours le d bit masse d air sec en kilogramme d air sec par seconde A Q Q repr sente le d bit d eau condens e en kg d eau par seconde A L Q Q repr sente la puissance extraire de l air cause de la condensation de la vapeur d eau L tant la chaleur latente de condensation 2 5 10 l kg On voit que dans ce cas la puissance P extra
29. ogique que celle de A Je 3 igure 14 Les surfaces sup rieures se r chauffent par convection et par change de chaleur par infrarouge Celle de gauche re oit en plus de la chaleur par condensation plaque chauffante 70 C OARS g i _ 1 Flux convectifs dans les r cipients L exposition scientifique interactive l absorption de chaleur par vaporation C est en quittant le champ de la r flexion th orique qui nous orientait sur des dispositifs compliqu s et en exp rimentant les montages de plus en plus simples que nous avons d fini le concept de la manipulation sur la condensation Celui ci permet au visiteur de constater physiquement la diff rence de temp rature aux sommets des deux r cipients l un tant chauff ure 15 Au c ur de la manipulation vue arri re afficheurs de temp rature 2 r gulateurs a 4 plaque chauffante 5 cordon chauf A 9 r servoir d eau 7 capiet de temp rature 8 pulv risateur d eau 9 ventilateur Figure 16 par la condensation de l eau contenue dans l air humide l autre par de l air chaud c est le premier qui est le plus chaud On chauffe un r cipient rempli d air par le bas La partie sup rieure du r cipient est principalement r chauff e par rayonnement infrarouge et par convection mouvement d air L l vation de la temp rature de la surface haute est donc en partie due l nergie thermique tran
30. oins l air peut contenir de vapeur d eau L essentiel de l humidit est concentr dans les basses couches de l atmosph re La condensation restitue la chaleur absorb e lors de vaporation r chauffant ainsi les couches interm diaires de l atmosph re Il y a donc un transfert de chaleur du sol l atmosph re par vaporation condensation vapocondensation Cycle de l eau Pare eur GT aar e Wum maio de Tare horizta Vue frontale de la manipulation Comment l atmosph re est elle r chauff e par la terre Objectifs Par une mise en situation exp rimentale la manip propose au public de v rifier que d une part l vapo ration retire de la chaleur l air ambiant partie gauche de la manipulation et que d autre part la conden sation restitue de la chaleur l air ambiant partie droite de la manipulation S agissant ici de mettre en vidence l effet thermique produit par ces deux ph no m nes peu ou mal connus et non directement obser vables la mise en sc ne et les temp ratures choisies r pondent avant tout des crit res mus ologiques et p dagogiques rapidit facilit de lecture et ne pr tendent en aucun cas reproduire les temp ratures de la r alit La relation entre ces deux ph nom nes ainsi que la notion de transfert de la vapeur d eau sont abord es plus loin parti pris graphique Description de la manipulation Evaporation Principe Nous avons labor le concep
31. ort humide court circuite R sec la diff rence de temp rature entre les deux sur faces est inf rieure celle obtenue avec de l air sec r R cro t 1 1 r R d cro t et T T diminue T humide gt T sec Nous avons essay de concevoir des exp riences plus rigoureuses qui maintiennent le d bit convectif D et la diff rence de temp rature peu pr s constante qu il y ait ou non de changement d tat Mais cela se traduisait chaque fois par des machines thermo dynamiques trop compliqu es et qui perdaient ainsi la lisibilit et la compr hension imm diate du principe L exposition scientifique interactive ON 0 CERN l CN O EN ce GR O ne co mme ce mme eme Een con ee nue Come ue cms on ii iu J el ul TEA PL AE ER A TELE T AT E U CAE F LE _ rt SANT AE PL Fc dne et localisation des composants vue arri re de la manipulation panneau Condensation gauche panneau vaporation droite Pour le d tail du circuit de commande temporis des caches indicateurs de temp rature des r cipients eau et air se reporter au sch ma correspondant SECTEUR So Sch ma lectrique du questionnaire R alisation Les deux r cipients cylindriques de la figure 13 poss dent un petit trou afin d viter de limiter la pression Un capteur de temp rature reli un afficheur est coll sur la face sup rieure de chaque r cipient que le public peu
32. p chaleur latente pression constante pour l air sec Cp 10 J K kg pour la vapeur d eau Cp 1 8 10 J K kg pour l eau Cp 4 18 10 J K kg Pourquoi cette nergie Dans le cas d un gaz la tem p rature correspond une certaine vitesse moyenne des mol cules de ce gaz L accroissement de tem p rature correspond une acc l ration de la vitesse moyenne d agitation des mol cules et pour augmen ter cette vitesse il faut fournir une certaine nergie Comparaison chaleur latente chaleur sensible Pour vaporer kg d eau il faut la m me nergie que pour lever la temp rature de 600 kg d eau de 1 C ou pour lever la temp rature de 1 kg de vapeur d eau de 2 500 C pression constante vapocondensation Cycle de l eau Quelques exemples de la vie quotidienne qui mettent en vidence la valeur lev e de la chaleur latente de vapotisation condensation de l eau comment refroidir sans r frig rateur Une gourde en peau ou en tissu refroidit et maintient de l eau une temp rature inf rieure l air am biant En effet l eau qui remplit la gourde mouille la peau Cette peau tant mouill e il y a vaporation et celle ci refroidit le contenu de la gourde lorsqu on est mouill on a beaucoup plus froid que lorsqu on est sec l vaporation refroidit la peau la transpiration permet l organisme d vacuer de l nergie d apr s le m me principe un jet de vapeur cocotte minu
33. plan de la com munication il est important d apporter une r ponse synth tique au titre C est la partie centrale de la manipulation que revient cette t che afin de sugg rer une sp cialisation des ph nom nes le d cor accompagnant chacune des manipulations est reli la partie centrale dont le texte est la conclusion de chacune des deux exp riences La surface la plus efficace pour voquer l vaporation nous a sembl tre la surface d un oc an tandis que le c ur d un nuage nous a paru tre l endroit ad quat pour situer la condensation Le cycle de l eau Le projet initial de la manipulation sur le cycle de l eau consiste en une cloche transparente et remplie d air clair e par dessus par une lampe vocation du soleil chauffant la partie inf rieure du dispositif constitu e d un tissu fonc satur d eau plac dans un r cipient fig 20 Le public observe la formation de bu e sur la face int rieure du d me de la cloche vocation des nuages Un essuie glace racle cette bu e Des filets d eau coulent le long des parois vocation de la pluie En mesurant la temp rature du fond humide on constate qu elle est plus froide que celle du fond d une autre cloche abritant un mat riau sec de m me couleur On obtient le contraire en comparant les temp ratures des d mes Cette solution est int ressante pour la visualisation des ph nom nes Une variante pourrait mettre en vidence la chaleur latent
34. rence de temp rature DT la puissance transport e est plus lev e lorsqu il y a vaporation condensation Les choses sont en r alit plus compliqu es car ce surcro t de puissance augmente la temp rature de la face haute donc diminue AT ce qui entra ne une diminution du d bit convectif D de la diff rence de teneur en eau dans la partie sup rieure AQ donc une diminution de la puissance r ellement transport e par rapport celle calcul e ci dessus On peut cependant comprendre le r sultat par un raisonnement simple utilisant les conditions d quilibre de la face sup rieure refroidie par l air ambiant la temp rature T constante Air sec l nergie calorifique dont le d bit est limit par les pertes visqueuses est analogue un courant de chaleur qui r chauffe la face travers une r sistance R R sec en fait une r sistance correspondant aux changes infrarouges en parall le avec une r sistance repr sentant le transfert convectif ces deux changes tant peu pr s proportionnels AT on peut en effet crire fig 19 AT R flux en analogie avec AU R I On a alors en crivant qu l quilibre le flux 1 R T T qui chauffe la plaque sup rieure est gal au flux i r T T qui le refroidit 1 R T T 1 1 T T I R T T 1 rn T T T T 1 R 1 r T T 1 r T T T T est constante T T T T 1 1 r R Avec condensation le transp
35. rieur r alis en feuille d aluminium Exemples de dispositifs bon march Par d tente adiabatique fig 29 une masse d air humide qui s l ve rapidement se refroidit par d tente quasi adiabatique Lorsque l air humide atteint la pression r gnante son point de ros e la vapeur d eau se condense et emp che la temp rature de descendre il y a restitution de la chaleur latente de vaporisation Ainsi un air humide satur se refroidit moins vite de l ordre de 0 6 K 100 m qu un air sec 1 K 100 m Ce processus se trouve l origine du f hn fig 28 Les apports d eau ls se font par vaporation La vapeur d eau se r pand dans l atmosph re par diffusion turbulente au contact d une surface d eau de sol satur ou de v g tation La quantit d eau transf r e de la terre l atmosph re d pend de la vitesse du vent de la surface d vaporation de la diff rence de tension de vapeur entre la surface vaporante et l air son contact de la rugosit du sol et de la v g tation Examinons le processus d vaporation soit de l air humide non satur la temp rature T air et la Figure 27 _ pun niveau rsa hae cirrus Ci glace 1 sup rieur cirroc ulus Cc ji Das 5 13 km cirrostratus Cs S5 lt t lt 25 p j_ altostratus As pe niveau ltocumulus Ac i 5 moyen nimbostrat s Ns 2 7 km E o o t p n 30 Ba t
36. rt de chaleur et chauffement zone 5 d shumidification avec pr l vement de chaleur et chauffement zone 6 d shumidification et refroidissement nergies mises en jeu lors de l volution de l air humide Diff rence d ordre de grandeur entre la chaleur sensible et la chaleur latente Les ph nom nes d vaporation et de condensation changement d tat liquide en vapeur et inversement mettent en jeu une grande quantit d nergie chaleur latente largement sup rieure celle qu il faut pour seulement abaisser ou augmenter la temp rature de l eau chaleur sensible Chaleur latente d vaporation et de condensation Pour vaporer une masse M d eau il faut fournir une nergie oo E M Lt L chaleur latente de vaporisation 2 5 10 kg M masse d eau en kg Cette nergie a la m me valeur pour l vaporation et la condensation seul le signe change il faut fournir de l nergie pour vaporer l eau la condensation lib re de l nergie thermique Pourquoi cette ner gie Lorsque l eau est liquide les mol cules d eau sont li es entre elles Pour vaporer cette eau il faut casser ces liaisons fig 12 et pour cela il faut fournir de l nergie La condensation est exactement sym trique et lib re cette nergie Chaleur sensible Pour augmenter d une diff rence de temp rature DT une masse M d un corps pression constante il faut fournir une nergie E M Cp AT C
37. sport e par l air Plus cette nergie est lev e plus la temp rature de la surface haute est lev e Dans un second r cipient dont la temp rature du bas est la m me temp rature que pour le pr c dent le fond est recouvert d un film d eau On constate au bout d un certain temps l quilibre que la temp rature du haut de ce r cipient est plus lev e que pr c demment On voit clairement que l eau se condense sur la face int rieure de la surface sup rieure du r cipient Comme le rayonnement infrarouge peut tre consid r comme inchang il faudrait de grandes distances pour que l absorption infrarouge soit importante on en d duit que l nergie thermique transport e par de l air humide avec vaporation condensation est plus importante que celle transport e par de l air m me humide mais sans vaporation condensation Explication physique Le calcul exact et l explication d taill e de cette exp rience d une tonnante simplicit sont difficiles et compliqu s La d marche que nous adoptons ici est de partir de l exp rience sans vaporation condensation et de montrer comment cette exp rience serait perturb e si l on ajoutait de l vaporation condensation COMMENT L ATMOSPH RE EST ELLE RECHAUFFEE PAR LA TERRE EN PULVERISANT DE L EAU CHAUDE A 50 c 50 DANS DE L AIR PLUS FROID A 25 C EE 25 REFRONDIT ON L AIR choisissez 1 solution et appuyez OUI a NON p JE NE S
38. t e L eau fournit alors de l humidit que l air refroidit pour former le brouillard d vaporation La formation des pr cipitations Les dimensions des gouttelettes ou de glace sont tr s faibles les forces d agitation au sein des nuages suf fisent les maintenir en quilibre Les pr cipitations se produisent lorsque l accroissement de la taille de ces gouttelettes devient suffisant pour que le poids les entra ne vers le sol Ce grossissement s explique par deux processus l effet Bergeron et l effet de coalescence L effet Bergeron Dans la partie du nuage o les temp ratures sont n gatives coexistent des cristaux de glace et des gouttelettes d eau surfondue Or pour une temp rature n gative ces deux types de particules n ont pas la m me pression de vapeur saturante celle de la glace est inf rieure celle de l eau Il en r sulte un transfert d eau par vaporation et condensation des gouttelettes vers les cristaux Lorsque le cristal a une masse suffisante il tombe Si la zone qu il traverse est suffisamment paisse et poss de une temp rature positive il pleut L effet Bergeron intervient seul pour des particules de diam tre inf rieur 100 microns Dans les r gions temp r es 97 des nuages donnant des pr ci pitations pr sentent des temp ratures n gatives leur partie sup rieure La coalescence Les cristaux de glace dans les nuages sont en chute libre ou par turbulence entrent en co
39. t de l air correspond une humidit relative de 45 une teneur en eau de 9 g d eau kg d air sec ou encore un volume sp cifique de 0 856 m kg d air sec En prolongeant la droite de teneur en eau constante passant par A 9 g d eau kg d air sec on d termine la temp rature du point de ros e B 12 3 C On peut galement remarquer sur ce diagramme que pour une m me teneur en eau plus la temp rature augmente plus l humidit rela tive diminue 32 C elle atteint 30 point D Inversement quand la temp rature diminue l humi dit relative augmente 20 C elle est de 60 point C E a 6 Sage ie he ae ep g ES 5 S a ATE ji 4 ASITERNTT Tq E son F 5 lt 9 E Ario r he HFE 3 LT E i LL me H ES 20 229 25 30 32 TEMP RATURE S CHE C volution de l air humide en fonction de diff rents traitements Droite AC refroidissement sensible droite AB chauffement sensible droite AD d shumidification isotherme latente droite AE humidification adiabatique sans apport ext rieur d nergie droite AF humidification isotherme latente humidificateur vapeur droite AG d shumidification adiabatique zone d shumidification avec pr l vement de chaleur et refroidissement zone 2 humidification avec apport de chaleur et refroidissement de l air zone 3 humidification avec apport de chaleur et chauffement zone 4 d shumidification avec appo
40. t de la manipulation vaporation partir de l tude des volutions de l air humide et d une analyse critique du dispositif L exposition scientifique interactive Figure 11 COMMENT L ATMOSPH RE EST ELLE _R CHAUFF E PAR LA TERRE Les dan de eux r cipients En vaporisant de Teau chaude En Ve peut on refroidir cet alr 7 sm i Je ne sais pas pade a lobe de Blot Ci Comparez la temp rature du m lange eau air colle do l air ambiant Figure 12 POUR EN SAVOIR PLUS fs L air n tant pas satur en vapeur d eau feau chaude pulv ris e s vapore 77 La transformation de liquide en vapeur absorbe ee pour 1 gramme d eau 590 uhis de chalour A de chaleur ne ee en 3 o air ambiant 20 C po 5419 de vapeur d eau lib re analysons la ditt rence entre les 2 r cipients 590 unit s de chaleur a Ce qu ils ont on commu les koi sup rieures apports suppl mentaires Chauttage d de la surface sont toutes deux chauff es par l air qui se r chauffe La temp rature de surface par en bas et se refroidit en haut convection naturelle est plus chaude gt refroidissement de Pair Les temp ratures de l air sont peu pr s les m mes ape rence ES nue Ce qui les difi rencie dans i r cipient qui contient de l eau le mouvement de convection entra ne de la vapeur d eau Au contact de la surface sup rieure la vapeur d eau se condense et lib re une grande n
41. t toucher gr ce deux ouvertures pratiqu es dans le panneau avant Le probl me pos au public est le suivant fig 11 Les bases de deux r cipients contenant l un de l eau et de l air l autre uniquement de l air sont chauff es la temp rature de 70 C La surface sup rieure du r cipient contenant uniquement de l air est elle ia plus chaude En appuyant sur le bouton correspondant l une des trois r ponses oui non je ne sais pas deux volets se soul vent laissant appara tre au dessus de chaque r cipient la temp rature de sa face Transfert de chaleur l analogie lectrique 20 _ ventilateur feutrine lt support Principe de la manip Cycle de l eau vapocondensation Cycle de l eau sup rieure Invit v rifier sa r ponse en consultant les afficheurs de temp rature et en touchant la face sup rieure des deux r cipients le public peut constater que c est la face sup rieure du r cipient contenant de l eau qui est la plus chaude Parti pris graphique et mise en sc ne Le propos de la manipulation tant de mettre en vidence les cons quences thermiques de l vaporation et de la condensation pour comprendre le facteur essentiel de r chauffement de l atmosph re par la terre il convenait de relier ces deux ph nom nes une certaine r alit sans omettre le maillon du transport propre tout vecteur nerg tique De plus sur le
42. tat nous conduit ne retenir que la temp rature tout le monde l utilise dans la vie courante pour caract riser les changes d nergie et introduire le raisonnement qualitatif qui part du Figure 9 D tail du m canisme de la r sultat ou de l effet pour remonter la cause si la temp rature diminue il y a refroidissement et on perd de la chaleur si la temp rature augmente il y a r chauffement et il faut fournir de la chaleur si l vaporation refroidit un syst me et que la condensation le r chauffe en mettant en uvre la m me quantit de chaleur on a un transfert ther mique Appliquons ce raisonnement l vaporation condensation le flux d nergie solaire r chauffe la surface de la terre sa temp rature augmente Par vaporation de l eau sa temp rature diminue une quantit de chaleur est extraite la surface du sol et l air ambiant Finalement une temp rature d quilibre s tablit Celle ci correspond un certain flux d eau vapor e Puis par convection la vapeur d eau s l ve dans l atmosph re En s levant l air se d tend la pression diminue avec l altitude Cette d tente refroidit l air et une certaine altitude la vapeur d eau se condense pour former des gouttelettes d eau qui constituent les nuages De plus cette condensation est amplifi e d apr s le principe de Clausius Clapeyron qui montre que plus la temp rature et la pression sont basses m
43. te bouilloire est beaucoup plus dangereux br le davantage qu un jet d air sec la m me temp rature s che cheveux C est parce que en plus de l nergie thermique due la temp rature elle m me chaleur sensible la condensation de la vapeur d gage une nergie importante Refroidissement par vaporation On prend un volume d air de 1 m 1 kg 25 C 45 d humidit 9 g kg cet air humide est d fini par le point sur le diagramme fig 5 On vaporise dans ce volume ig d eau T 25 C fig 2 Quelle est la temp rature finale de l air humide L vaporation de 1 g d eau chaude absorbe une nergie E L M 72 510 avec M eau 1 g 10 kg et L 2 5 10 Cette nergie est prise l nergie thermique de l air qui de ce fait refroidit de AT E M air Cp 2 5 10710 2 5 C avec M air kg et Cp 10 J K kg Ainsi l vaporation de 1 g d eau dans m d air sec refroidit celui ci de 2 5 C environ ce calcul est approch en particulier parce que l on ne tient pas compte du fait que la vapeur d eau produite lors de l vaporation fait augmenter la pression si le volume du gaz reste constant Ce type de r sultat peut tre galement obtenu partir du diagramme humide de l air L nergie totale du syst me eau air humide reste constant dans l exp rience pr c dente on ne fournit aucune nergie au syst me On prolonge la ligne isenthalpie que l on assimile
44. uantit de vapeur d eau par unit de volume ne peut d passer une valeur maximum Au del il y a saturation et toute la vapeur d eau exc dentaire se condense R ciproquement de l eau liquide plac e dans un milieu non satur vide ou gaz suffisamment sec s vapore On verra ci dessous que ces changements d tat font que les caract ristiques thermiques de l air sont tr s diff rentes selon qu il y a pr sence d eau liquide ou non fig 2 3 La vapeur n est pas directement perceptible c est un gaz parfaitement invisible qui n est optiquement l M t orologie nationale et Centre national d enseignement distance Formation de base la m t orologie 1990 Air humide dossier des sciences pour l ing nieur d celable que par ses bandes d absorption dans l infrarouge voir dossier Effet de serre de l atmosph re La couleur blanche des nuages et autres couleurs qui peuvent aller jusqu au gris noir en cas d extinction de la lumi re visible est donn e par les micro gouttelettes d eau produites par la condensation de la vapeur d eau Cette derni re est l origine des brouillards des nuages et la surface du sol de la ros e du givre et du gel La quantit de vapeur d eau m lang e de l air est couramment d finie tr s diversement Nous pr sentons ici les principales d finitions utilis es sachant que l on peut toujours passer plus ou moins facilement de l une l autre La pression partielle d
45. ulateur de temp rature et instrument e avec un capteur de temp rature reli un afficheur thermique visible par le public Dans la bo te d exp rimentation deux capteurs permettent de mesurer la temp rature de l air Le premier situ du c t du ventilateur et hors de port e du jet d eau vaporis donne la temp rature de l air ambiant qui sert de r f rence Le second situ au dessus et en aval du jet d eau vaporis mesure la temp rature de l air humide charg en eau pulv ris e Le probl me pos au public est le suivant fig 11 et 12 En vaporisant de l eau chaude 50 C dans l air ambiant plus froid 25 C peut on refroidir cet air En appuyant sur le bouton correspondant l une des trois r ponses oui non je ne sais pas un volet se soul ve et laisse appara tre juste au dessus de l exp rience la temp rature du m lange eau air La proposition faites l exp rience permet au visiteur de v rifier que le fait de vaporiser de l eau chaude fait effectivement chuter la temp rature de l air partir de cette constatation il convient de d duire que le ph nom ne d vaporation puise de la chaleur dans l air ambiant Description de la manipulation Condensation Principe fig 11 13 14 15 De nombreux travaux de recherche ont t n cessaires pour laborer un dispositif mettant en sc ne la condensation dans la m me logique de communication mus ol
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