La vidéo et le micro-ordinateur
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Le système de refroidissement
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| Les dispositifs classiques d'étude de la congélation de l'eau utilisent un mélange de glace pilée et de sel marin pour refroidir l'eau contenue dans un tube à essai. L'observation de l'apparition des cristaux de glace et de la présence simultanée de liquide et de solide durant le changement d'état est alors très difficile. |  |
| Notre dispositif permet cette observation ainsi que le suivi de la température. Le refroidissement est obtenu à l'aide d'un module à effet Peltier.
Ce module est inséré entre deux plaques de cuivre planes. La face " chaude " du module est maintenue à une température de l'ordre de 20°C par une circulation d'eau. Le refroidisseur à circulation d'eau est réalisé à l'aide d'une plaque de cuivre sous laquelle sont soudés à l'étain deux tubes en cuivre de diamètre 8mm. Un tuyau souple, monté en force, réunit les deux tubes. L'un d'eux sera relié au robinet d'eau froide par un tuyau souple, un autre tuyau fixé sur le deuxième tube évacuera l'eau à l'évier. La plaque de cuivre fixée sur la face froide est munie d'une cuvette réalisée dans un tronçon de tube en cuivre, soudé à l'étain. Le fond de la cuvette est en Plexiglas incolore et transparent. Avant assemblage à l'aide de vis en Nylon, les diverses surfaces en contact seront enduites de graisse silicone pour favoriser l'échange thermique. La visualisation de l'expérience
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| Le module refroidisseur étant fixé sur un support qui le maintient horizontal, l'objectif de la caméra vidéo est installé très proche du fond transparent de la cuve. L'objectif est en mode " macro " et en mise au point manuelle. |  |
| La caméra peut aussi être installée au-dessus de la cuvette. Le remplissage de la cuvette et un éventuel accès en cours d'expérience seront cependant plus difficiles.
Une liaison vidéo directe est établie avec un téléviseur mais rien n'interdit d'enregistrer les images. Pendant qu'on observe, sur l'écran du téléviseur, le changement d'état du liquide, une sonde thermométrique couplée à une carte d'acquisition de mesures permet d'afficher, sur l'écran d'un micro-ordinateur, la courbe d'évolution de la température. Cette lecture simultanée de la courbe de température et de l'image du corps avant, pendant et après le changement d'état nous semble décisive pour une bonne intégration par les élèves de l'aspect phénoménologique de cette transformation physique.
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La conduite de l'expérience
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Des exemples de changements d'étatExpérience de solidification de l'eau pure
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| L'expérience a été menée avec 2 mL d'eau distillée et une intensité de 2,7 A dans la cellule Peltier. On suit sur la courbe les différentes étapes du refroidissement : |
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Fusion de l'eau pure
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| Il est possible de donner une suite à l'expérience précédente, en arrêtant la réfrigération et en laissant fondre lentement le glaçon. Comme avant, on fera le relevé de l'évolution de la température en fonction du temps. |
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Congélation d'un liquide pur autre que l'eauL'expérience peut être reprise avec d'autres corps purs pour mettre en évidence le palier horizontal lorsque coexistent les deux phases solide et liquide. Pour bien choisir le composé chimique, il faudra que sa température de changement d'état se situe dans une fourchette de -5 à +10°C et qu'il ne risque pas d'altérer le fond de la cuve en Plexiglas. |
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| Le présent relevé concerne le décan-1-ol. On observe un palier horizontal vers 5°C où la congélation a lieu. On constatera que le cylindre solidifié de décanol présente une cavité centrale, due à la contraction. La densité du solide est dans ce cas supérieure à celle du liquide. |
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