Influence de la Température sur la Densité de l’Air (6ème)
L'air chaud et l'air froid, c'est différent !
Tu as sûrement remarqué qu'une montgolfière remplie d'air chaud s'envole, ou que l'air froid en hiver semble "tomber". C'est parce que la température change une propriété importante de l'air : sa densité. La densité nous dit si quelque chose est "léger" ou "lourd" pour un même volume. Cet exercice va t'aider à comprendre comment la température influence la densité de l'air.
Énoncé de l'exercice : Le ballon de Léo
- Le ballon contient \(10 \, \text{litres (L)}\) d'air.
- La masse de ces \(10 \, \text{L}\) d'air est de \(12 \, \text{grammes (g)}\).
Schéma : L'air et la température
Un ballon d'air à température ambiante, puis le même air chauffé.
Questions à traiter
- Qu'est-ce que la densité d'une substance ? Écris la formule qui permet de la calculer si on connaît la masse (\(m\)) et le volume (\(V\)).
- Calcule la densité de l'air dans le ballon de Léo à température ambiante. Exprime le résultat en grammes par litre (\(\text{g/L}\)).
- Léo chauffe doucement l'air contenu dans son ballon (sans que le ballon n'éclate et sans que de l'air ne s'échappe). Que va-t-il se passer pour le volume de l'air à l'intérieur du ballon ? Va-t-il augmenter, diminuer ou rester le même ?
- La masse de l'air dans le ballon a-t-elle changé pendant que Léo le chauffait ? Explique pourquoi.
- En utilisant tes réponses aux questions 3 et 4, que peux-tu dire de la densité de l'air chaud par rapport à la densité de l'air à température ambiante ? Est-elle plus grande, plus petite ou la même ? Explique.
- Si Léo mettait son ballon (contenant l'air à température ambiante) au congélateur, que se passerait-il pour le volume de l'air ? Et pour sa densité (par rapport à l'air ambiant) ?
- Comment peux-tu expliquer qu'une montgolfière remplie d'air chaud s'envole ?
Correction : Le ballon de Léo
Question 1 : Définition et formule de la densité
Principe :
La densité est une grandeur qui caractérise la "compacité" d'une substance. Elle indique la masse de cette substance contenue dans un certain volume.
Définition et Formule :
La densité (\(\rho\), lettre grecque "rhô") d'une substance est la masse (\(m\)) de cette substance par unité de volume (\(V\)).
Question 2 : Calcul de la densité de l'air ambiant
Principe :
Nous utilisons la formule \(\rho = m/V\) avec les données initiales du ballon de Léo.
Données spécifiques :
- Masse de l'air (\(m\)) : \(12 \, \text{g}\)
- Volume de l'air (\(V\)) : \(10 \, \text{L}\)
Calcul :
Question 3 : Effet du chauffage sur le volume de l'air
Principe :
La plupart des substances, y compris les gaz comme l'air, ont tendance à prendre plus de place lorsqu'on les chauffe. C'est ce qu'on appelle la dilatation thermique.
Réponse :
Lorsque Léo chauffe l'air dans son ballon, les particules d'air s'agitent davantage et s'écartent les unes des autres. Par conséquent, l'air va occuper un plus grand volume. Le volume de l'air va augmenter.
Question 4 : Masse de l'air chauffé
Principe :
La masse représente la quantité de matière. Si aucun air ne s'est échappé du ballon et si aucun air n'y a été ajouté, la quantité de matière (d'air) reste la même.
Réponse :
Non, la masse de l'air dans le ballon n'a pas changé pendant que Léo le chauffait. Le ballon est fermé (l'air ne peut ni entrer ni sortir). Chauffer l'air change son agitation et l'espace qu'il occupe, mais pas la quantité de "matière air" présente.
Quiz Intermédiaire 1 : Si on chauffe un gaz dans un récipient fermé (qui ne fuit pas), sa masse :
Question 5 : Densité de l'air chaud
Principe :
La densité est \(\rho = m/V\). Nous savons ce qui arrive à la masse (\(m\)) et au volume (\(V\)) de l'air quand on le chauffe.
Réponse :
- La masse (\(m\)) de l'air est restée la même (Question 4).
- Le volume (\(V\)) de l'air a augmenté (Question 3).
Si on divise la même masse par un volume plus grand, le résultat (la densité) sera plus petit.
Donc, la densité de l'air chaud est plus petite que la densité de l'air à température ambiante.
Question 6 : Effet du refroidissement sur le volume et la densité
Principe :
Le refroidissement a l'effet inverse du chauffage sur les gaz.
Réponse :
- Volume : Si Léo mettait son ballon au congélateur, l'air à l'intérieur se refroidirait. Les particules d'air s'agiteraient moins et se rapprocheraient. Le volume de l'air diminuerait.
- Densité : La masse de l'air resterait la même (ballon fermé). Si la masse reste la même et que le volume diminue, alors la densité (\(\rho = m/V\)) augmenterait. L'air froid serait plus dense que l'air à température ambiante.
Question 7 : Pourquoi une montgolfière s'envole ?
Principe :
Ce phénomène est lié à la différence de densité entre l'air chaud à l'intérieur de la montgolfière et l'air plus froid à l'extérieur.
Réponse :
Une montgolfière s'envole parce que l'air à l'intérieur de son grand ballon est chauffé par un brûleur. Cet air chaud devient moins dense (plus "léger" pour un même volume) que l'air plus froid qui l'entoure à l'extérieur. De la même manière qu'un bouchon de liège (moins dense que l'eau) flotte sur l'eau, l'air chaud moins dense "flotte" et s'élève dans l'air ambiant plus dense et plus froid.
Quiz Intermédiaire 2 : L'air froid est généralement :
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. Qu'est-ce que la densité ?
2. Quand on chauffe de l'air dans un ballon fermé (qui ne fuit pas) :
3. Une montgolfière s'élève dans le ciel parce que :
Glossaire des termes importants
- Air
- Le mélange de gaz qui nous entoure et que nous respirons. L'air a une masse et occupe un volume.
- Température
- Une mesure qui indique si un objet est chaud ou froid. Elle influence l'agitation des particules qui composent la matière.
- Volume (\(V\))
- L'espace occupé par une substance. Unités courantes : litre (L), millilitre (mL), mètre cube (m³).
- Masse (\(m\))
- La quantité de matière contenue dans un objet ou une substance. Unités courantes : gramme (g), kilogramme (kg).
- Densité (\(\rho\))
- La masse d'une substance par unité de volume (\(\rho = m/V\)). Elle indique si une substance est "compacte" ou "légère" pour un volume donné. Unités courantes : gramme par litre (g/L), kilogramme par mètre cube (kg/m³).
- Dilatation
- L'augmentation du volume d'une substance lorsqu'elle est chauffée.
- Contraction
- La diminution du volume d'une substance lorsqu'elle est refroidie.
- Montgolfière
- Un grand ballon qui s'élève dans les airs parce qu'il est rempli d'air chaud, moins dense que l'air ambiant.
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