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CAHIER DE L’ÉLÈVE Janvier 2009 LE MOTEUR STIRLING Centre de développement pédag

CAHIER DE L’ÉLÈVE Janvier 2009 LE MOTEUR STIRLING Centre de développement pédagogique Le moteur Stirling Stirling_eleve_chimie.doc 19/02/10 2 Table des matières Il était une fois une machine surprenante!................................................................................... 3 Réchauffons-nous un peu.................................................................................................................... 4 Théorie cinétique des gaz .................................................................................................................. 6 Nombre de molécules et volume d’un gaz ...................................................................................... 9 Effet de la température sur le volume d’un gaz (La loi de Charles).................................... 15 Effet de la pression sur le volume d’un gaz (La loi de Boyle-Mariotte)............................. 21 Fonctionnement d’un manomètre à eau (facultatif) .................................................................27 Effet de la température sur la pression d’un gaz (La loi de Gay-Lussac)..........................36 Questionnaire sur la loi générale des gaz....................................................................................43 Revenons maintenant au moteur Stirling.....................................................................................44 Nomenclature du moteur Stirling ..................................................................................................45 Guide de mise en marche du moteur Stirling .............................................................................46 Analyse du moteur Stirling de laboratoire .................................................................................47 Intégration et réinvestissement....................................................................................................52 Webographie.........................................................................................................................................54 Centre de développement pédagogique Le moteur Stirling Stirling_eleve_chimie.doc 19/02/10 3 Il était une fois une machine surprenante! NOTE Cette activité a été élaborée dans le cadre de sessions de formation. Elle nécessite des adaptations avant de l’utiliser auprès d’élèves. Les gaz sont présents partout autour de nous. Dans certains cas, ils entretiennent la vie comme le fait l’oxygène et dans d’autres ils sont mortels comme le chlore. Les applications technologiques des gaz sont nombreuses. Nous n’avons qu’à penser au coussin gonflable, au barbecue et au moteur à explosions de nos automobiles pour nous en convaincre. Nous vous invitons maintenant à découvrir une des plus incroyable machine fonctionnant à l’aide d’un gaz. Le type de moteur que nous vous présentons maintenant saura à coup sûr vous passionner. En effet, le moteur à air chaud est une machine très surprenante. Dans ce type de moteur, il n’y a aucune explosion comme dans les moteurs utilisés dans nos véhicules actuels. Il est donc tout à fait sécuritaire pour une étude en laboratoire. Son invention ne date pas d’hier. En effet, le brevet du moteur à air chaud (moteur Stirling) fut déposé le 27 septembre 1816. Pour des raisons de compétitivité, le moteur de l’Écossais Robert Stirling n’a jamais connu un succès commercial. Il a été supplanté tour à tour par la chaudière à vapeur et par le moteur à combustion interne. Cependant, avec un rendement nettement supérieur aux moteurs à explosions, le moteur Stirling a sûrement un bel avenir. En effet, les préoccupations écologiques actuelles en matière de conservation d’énergie et de biocarburants rendent ce moteur très intéressant puisqu’il peut fonctionner avec n’importe quel carburant (paille, bois, alcool, rayons solaires…) Votre défi Nous vous proposons ici de découvrir expérimentalement les principes scientifiques et technologiques utilisés dans la construction du moteur Stirling. Pour ce faire, vous aurez à vous approprier les concepts liés aux propriétés physiques des gaz. Par la suite, vous aurez l’occasion de mettre en marche un vrai moteur Stirling de façon à analyser scientifiquement cette belle application technologique. Pour débuter, nous vous invitons à découvrir ce moteur exceptionnel en écoutant ce reportage d’à peine 7 minutes. • http://leweb2zero.tv/video/alfred_42461927d59459f Le début du reportage suivant vous présente une application actuelle du moteur Stirling touchant la production d’énergie solaire (ce reportage est en anglais). • http://www.eco-energie.ch/content/view/112/47/ Centre de développement pédagogique Le moteur Stirling Stirling_eleve_chimie.doc 19/02/10 4 Réchauffons-nous un peu Voici maintenant un court vidéo vous montrant le moteur Stirling que vous aurez à faire fonctionner un peu plus tard au cours du projet. Ce moteur a été spécialement conçu pour vous. Sa faible vitesse de rotation ainsi que son côté transparent vous permettent de bien voir ses composants en action. Observez bien la façon dont il bouge et prenez des notes! http://www2.cslaval.qc.ca/star/Le-moteur-Stirling À partir de vos connaissances actuelles et de ce que vous avez compris des documents vidéos précédents, rédigez une explication sommaire du fonctionnement du moteur Stirling. Se donner une représentation du moteur (croquis) Centre de développement pédagogique Le moteur Stirling Stirling_eleve_chimie.doc 19/02/10 5 Construisez maintenant un réseau des concepts reliés à l’étude du fonctionnement du moteur Stirling. Bâtir ce réseau vous permettra d’organiser vos connaissances sous forme d’une carte visuelle. Cette carte donnera une bonne idée des stratégies qui vous permettront de mieux comprendre le fonctionnement du moteur Stirling. Exemple d’un réseau de concepts Réseau de concepts Moteur Stirling Centre de développement pédagogique Le moteur Stirling Stirling_eleve_chimie.doc 19/02/10 6 Théorie cinétique des gaz Question : De quelle façon les gaz se comportent-ils? Observer les démonstrations et compléter les textes suivant de façon à retenir l’essentiel. Carte d’exploration Expansion d’un gaz (mouvement moléculaire des gaz) Banque de mots • remplissent • droite • billes • forme Les molécules d’un gaz sont comme des petites ________ qui se déplacent dans toutes les directions. Normalement, ces particules se déplacent en ligne ________ à moins qu’ils ne frappent d’autres particules de gaz, de liquide ou de solide. De cette façon, les gaz _____________ toujours leur récipient en prenant tout l’espace disponible. Le ballon de soccer ci-contre en est un bon exemple. Finalement, un gaz n’a ni _______ ni volume précis contrairement aux solides par exemple. Théorie cinétique des gaz Pression Expansion Compression Diffusion Centre de développement pédagogique Le moteur Stirling Stirling_eleve_chimie.doc 19/02/10 7 Diffusion d’un gaz Banque de mots • parfum • toutes • odeur • diffusion Les molécules d’un gaz se déplacent dans _________ les directions. Un certain gaz peut, de cette façon, se répandre à travers un autre gaz. La ___________ d’un gaz dans une pièce prend un certain temps. Combien de secondes prend le ________ pour se rendre à tes narines? Que faire si l’________ devient insupportable? Compression d’un gaz Banque de mots • petite • pression • volume • liquides Contrairement aux ________, les gaz sont compressibles. Il est possible de faire varier considérablement le ________ d’un gaz en modifiant la pression que l’on exerce sur lui. Cette augmentation de __________ rapproche les molécules du gaz les unes des autres. C’est pourquoi on peut envoyer un grand volume d’air à l’intérieur d’une ________ chambre à air d’un vélo par exemple. Centre de développement pédagogique Le moteur Stirling Stirling_eleve_chimie.doc 19/02/10 8 Pression d’un gaz Banque de mots • plus • poussées • frappe • atmosphérique La pression ________________ que nous subissons présentement est le résultat d’innombrables collisions que font les molécules d’air avec notre corps. Chaque molécule d’air qui nous _________ possède une masse et une vitesse et produit une petite poussée sur notre peau. C’est la somme de toutes ces petites _________ qui engendre la pression atmosphérique. Dans le cas de l’air comprimé dans les bouteilles d’un plongeur, ces collisions sont ______ nombreuses puisque les molécules d’air sont entassées dans un plus petit volume. La pression est une mesure de la force par unité de surface (Newton par mètre carré par exemple). Chauffage d’un gaz Le mercure du thermomètre ci-contre nous rappelle que le chauffage d’une substance provoque une _____________ de son volume. De plus, chacun sait que ce n’est pas une bonne idée de jeter au feu une bombonne aérosol. L’augmentation de température engendrerait donc aussi une ______________ de la pression d’un gaz. Centre de développement pédagogique Le moteur Stirling Stirling_eleve_chimie.doc 19/02/10 9 Nombre de molécules et volume d’un gaz Questions : De quelle façon varie le nombre de molécules gazeuses (le nombre de moles) lorsqu’on fait varier le volume d’un gaz? Quelle sorte de courbe peut-on tracer expérimentalement? Quelle relation mathématique unit ces deux grandeurs physiques? Qu’est- ce qui devrait demeurer constant au cours de l’expérimentation? Comment cette étude peut vous amener à mieux comprendre le fonctionnement du moteur Stirling? Prouver expérimentalement et démontrer mathématiquement. Carte d’exploration Théorie cinétique des gaz Mole (n) Masse molaire Volume (V) Masse (g) Stœchiométrie Équation chimique Centre de développement pédagogique Le moteur Stirling Stirling_eleve_chimie.doc 19/02/10 10 Matériel Schéma du montage • Lunettes de protection • 125 mL d’acide chlorhydrique • 1 cylindre gradué de 100 mL • 1 compte-goutte • 20 cm de ruban de magnésium • 1 balance • 1 règle • 1 paire de ciseau • 1 bouchon #5 adapté au cylindre de 100 mL et ayant un support de cuivre • 400 mL d’eau du robinet • Du colorant alimentaire • 1 agitateur • 1 contenant ou cabaret pour effectuer la manipulation du débordement • 1 becher de 400 mL • 1 becher de 600 mL Équation chimique utile Mg(s) + HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g) (Est-elle équilibrée?) acide chlorhydrique Bouchon #5 échantillon de magnésium support en cuivre becher cylindre gradué eau hydrogène Centre de développement pédagogique Le moteur Stirling Stirling_eleve_chimie.doc 19/02/10 11 Manipulations 1. Couper 20 cm de ruban de magnésium. 2. Peser le ruban de magnésium et noter sa valeur. 3. Couper le ruban pour former 5 petits bouts de 2,3,4,5 et 6 cm de long. 4. Calculer les masses de ces petits bouts en faisant une proportion et noter ces masses. 5. Verser 500 mL d’eau colorée dans un becher de 600 mL (la présence du colorant permet de bien distinguer l’acide de l’eau lors du mélange). 6. Verser 250 mL d’eau du robinet dans un becher de 400 mL. Il servira de contenant à récupération de l’acide. 7. Déposer et replier les extrémités du uploads/Philosophie/ stirling-eleve-chimie.pdf