Université d'été « Enseigner les sciences à l'école primaire »

Matière : La congélation de l'eau

Méthode de travail proposée aux participants de l'atelier

Dans le domaine de la recherche scientifique, la notion de protocole expérimental est une discipline de travail qui s'avère indispensable aux chercheurs : elle les contraint à définir clairement et collectivement leurs objectifs préalablement au déroulement de l'expérience, et leur permet souvent d'éviter de commettre des erreurs expérimentales qui compromettraient l'analyse des résultats ou rendraient impossible toute conclusion valable.

Pour réaliser les expériences suivantes, votre principal cahier des charges est donc le suivant : définir en commun et par écrit (lorsque cela est justifié par la complexité de l'étude) le protocole expérimental à suivre, c'est-à-dire l'ensemble des informations utiles dont devrait disposer une personne souhaitant reproduire l'expérience avec succès.

Les questions qui nécessitent d'établir un protocole sont écrites en italique.

Nous vous proposons d'étudier le processus de congélation de l'eau liquide. Pour cela, il est nécessaire de placer l'eau dans un environnement porté à une température nettement plus basse que 0°C (cas d'un congélateur),

  • Fabriquer dans un premier temps un mini-congélateur en mélangeant du sel et un peu de glace.
  • De combien parvenez-vous à abaisser la température de la glace ?
    La quantité de sel ajoutée représente-t-elle un paramètre important ?
  • Tracer avec précision la courbe expérimentale de refroidissement, en fonction dut temps, d'un échantillon d'eau, de la température ambiante, jusqu'à -10 °C . Comment interprétez-vous les différentes parties de la courbe obtenue ?

Nota: pour améliorer la qualité des mesures, utilisez un mini-congélateur amélioré, constitué d'un récipient calorifugé (bouteille "Thermos"). Les mesures sont effectuées à l'aide de capteurs électriques de température.

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Mise en situation et mise en oeuvre

La première étape de cet atelier consiste à appréhender la quantité de sel ajoutée à de la glace comme un paramètre favorisant l'abaissement de la température de la glace. Cette question interroge sur la méthode à mettre au point. La démarche adoptée par les participants est quasiment la même pour tous les groupes :

  • Réflexion sur la méthode et élaboration d'un protocole
  • Mise en œuvre expérimentale
  • Rédaction définitive du protocole.

Pour chaque groupe, il s'agit de tester des quantités précises de sel additionnées progressivement à la glace. Ces différentes quantités sont mesurées avec des étalons divers (en " cuillerées ", en " volume " non spécifié, en " volume " dont la référence est le tube à essai ...).

Certains groupes précisent d'autres paramètres :

  • Nécessité d'utiliser au départ la même quantité de glace pour toutes les expériences
  • Nécessité de prendre un gobelet témoin
  • Nécessité de mesurer la température initiale de la glace
  • Nécessité de tenir compte du temps comme d'un paramètre pertinent. Le relevé doit être effectué après un temps défini : idée selon laquelle la température du mélange se stabilise. Le relevé doit être effectué " toutes les 2 minutes pendant 20 minutes " : idée selon laquelle il n'y a pas de stabilisation de la température du mélange mais que c'est l'évolution de la température de l'ensemble des gobelets qui est significative.

Majoritairement, les protocoles s'organisent selon une trame commune :

  • Définition des objectifs
  • Liste du matériel
  • Chronologie des diverses étapes expérimentales.

Cette dernière partie donne lieu à des approches différentes. Ainsi, certains groupes établissent une chronologie rédigée des étapes, alors que d'autres ont une approche quasiment schématique de ces étapes. Un protocole proposé (voir le protocole 1 en annexe 3) exclut toute rédaction et repose entièrement sur un ensemble de schémas scientifiques. Il convient de noter que ce protocole n'indique ni les objectifs visés ni le matériel nécessaire et qu'il donne les résultats obtenus pour les expériences.

La deuxième étape de cet atelier concerne le tracé de la courbe de solidification de l'eau en fonction du temps. Ce tracé nécessite préalablement de concevoir une expérience permettant l'obtention de cette courbe. L'intérêt du mélange eau + glace est alors immédiatement réinvesti par tous les groupes qui, dans un premier temps, organisent leur action en partageant les tâches : lecture de température, mesure du temps, tracé de la courbe. Pour cette expérience, les animateurs indiquent le fonctionnement du thermomètre électronique. Ils précisent également la nécessité de placer la sonde au centre de l'échantillon. Les tracés obtenus sont corrects mais les participants n'ont pas le temps de les analyser (l'analyse sera menée au cours de la phase 2 de l'atelier).

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Notre proposition de protocole d'expérience : l'étrange comportement du mélange eau-glace-sel

Refroidir de la glace avec du sel

On cherche ici à savoir si la quantité de sel ajoutée influence l'abaissement de température de la glace.

On utilise au moins 3 gobelets et autant de thermomètres, remplis de la même quantité de glace et identifiés. Durant l'essai, on ne peut consulter le thermomètre sans perturber le phénomène.

  • Une précaution : mesurer au départ la température des gobelets avant ajout de sel.
  • Choisir la quantité de glace à ajouter : typiquement par tranches de 15-20 g (2 cuillerées) et prévoir de bien mélanger le sel à la glace.
  • Définir à l'avance : la position des thermomètres dans la glace, le délai de lecture de la température obtenue dans les gobelets.
  • En fin d'expérience, noter la température obtenue dans chaque gobelet en fonction de la quantité de sel ajoutée et mettre en évidence la dépendance du refroidissement résultant de cette quantité de sel.
  • En pratique, il faut soigner la précision à toutes les étapes ou faire plusieurs fois l'expérience pour mettre en évidence un résultat certain.

Tracer la courbe de congélation de l'eau

Si l'échantillon d'eau à congeler est de petite taille et si le congélateur est très froid, la congélation de l'eau peut être très rapide. Il faut donc s'organiser complètement avant de commencer l'expérience :

  • Comment va-t-on lire la température de l'eau : par un thermomètre à alcool plongé dans l'eau, par un capteur électrique (thermocouple) ? Bien repérer comment se fait la lecture. Le thermocouple semble le mieux adapté pour prendre la température dans l'échantillon.
  • Le congélateur (thermos rempli d'un mélange de glace et de sel) et l'échantillon d'eau sont prêts à l'emploi.
  • Définir à l'avance : qui relève le temps et à quels intervalles ? Qui note la température aux mêmes instants ? La courbe peut être tracée en même temps, il faut définir les axes et leur échelle à l'avance.
  • Les points doivent être plus serrés durant la première phase de refroidissement de l'eau de la température ambiante jusqu'à zéro.
  • Ensuite, on observe un palier (la température reste constante) jusqu'à ce que toute l'eau soit congelée, puis la baisse de température se poursuit, plus lentement que précédemment : la glace se refroidit de O°C jusqu'à, si on attend suffisamment longtemps, la température du congélateur.

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Compléments scientifiques

Vocabulaire des changements d'états

Les points de repère quotidiens

La pression atmosphérique moyenne avoisine la valeur de 1 bar (1.0 13 bar exactement)

Dans des conditions de pression normales, c'est-à-dire sous la pression atmosphérique de 1.013 bar

  • on observe que le mélange eau solide-eau liquide existe pour une température de 0°C
  • on observe que le mélange eau liquide-eau vapeur existe pour une température de 100°C

Le diagramme d'état de l'eau

Lecture du diagramme :

  • Le diagramme divise le plan en trois régions qui correspondent chacune à un état particulier de l'eau solide (glace), liquide ou vapeur. Tout point du plan est défini par une température en abscisse et une pression en ordonnée. En fonction de la place de ce point sur le diagramme, on sait si, dans ces conditions de température et de pression, l'eau est sous forme liquide, solide ou vapeur.
  • Si le point se trouve sur la courbe de vaporisation notée (V), alors il s'agit d'un mélange eau liquide-eau vapeur.
  • Si le point se trouve sur la courbe de fusion notée (F), alors il s'agit d'un mélange eau solide-eau liquide.
  • Si le point se trouve sur la courbe de sublimation notée (S), alors il s'agit d'un mélange eau solide-eau vapeur.
  • Si le point se situe exactement sur le point T (appelé point Triple), alors il s'agit d'un mélange des trois états de l'eau : à la fois liquide, solide et vapeur.

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Protocole expérimental élaboré par les participants

Groupe 2

Objectif Savoir si la quantité de sel ajoutée à la glace représente un paramètre important pour abaisser la température de la glace
Produits utilisés

- glace concassée,
- sel fin

Matériel

- 5 gobelets plastiques (ou doseurs),
- 2 tubes à essai,
- 1 agitateur,
- 5 thermomètres,
- 1 thermomètre numérique,
- 1 chronomètre.

Etapes à suivre
  1. Placer 15 cl de glace dans chaque gobelet 0 - 1 - 2 - 3 - 6,
  2. Placer un thermomètre au milieu de la glace,
  3. Attendre que la température soit identique dans chaque,
  4. Verser le nombre de tubes à essai rempli de sel correspondant à la numérotation des gobelets 0 - 1 - 2 - 3 - 6,
  5. Mélanger sel et glace avec un agitateur,
  6. Relever la température de chaque gobelet toutes les deux minutes pendant vingt minutes.

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Actes de l'université d'été - Enseigner les sciences à l'école primaire

Mis à jour le 12 mai 2011
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