Ballon à air chaud ou froid

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Article incomplet en cours de rédaction
La vidéo "Ballon à air chaud ou froid"

Sommaire

Présentation de l'expérience

Gonfler puis dégonfler un ballon de baudruche sans souffler dedans ? Oui, c'est possible !

Matériel

L'expérience

La manipulation

  • Fixer un ballon de baudruche sur le goulot de la bouteille.
  • Remplir la bassine avec de l'eau chaude.
  • Plonger la bouteille verticalement dans la bassine et la maintenir 30 secondes dans cette position.
  • Remplacer l'eau chaude par de l'eau froide (on peut ajouter les glaçons pour accentuer le changement de température).
  • Plonger la bouteille verticalement dans le récipient d'eau froide et la maintenir quelques secondes.

Que voit-on ?

Lorsque la bouteille est placée dans l'eau chaude, le ballon se gonfle.

Quand elle est plongée dans l'eau froide, le ballon se vide totalement, il est même aspiré vers l'intérieur de la bouteille.

Explications

De manière simple

Quand on plonge la bouteille dans l'eau chaude, l'air froid qui se trouve à l'intérieur se réchauffe, prend plus de place, monte dans le ballon et gonfle ce dernier. Quand on plonge la bouteille dans l'eau froide, l'air à l'intérieur se refroidit, devient plus lourd et prend moins de place. Le ballon est alors aspiré dans la bouteille.

Questions sans réponses

La pression de l'eau sur la bouteille ne permet-elle pas également de faire gonfler le ballon ?

Est-ce que la différence de température influence la vitesse de gonflement ou de dégonflement du ballon?

Que se passe-t-il si l'expérience est effectuée sous l'eau en profondeur (ballon non immergé) et que l'on refroidit l'air de la bouteille, est-ce la compression de la bouteille qui l'emporte et fait gonfler le ballon ou bien est-ce que le ballon sera tout de même aspiré ?

Idem si l'expérience est effectuée en altitude et que l'on réchauffe la bouteille ?

Allons plus loin dans l'explication

Sous l'action de l'eau chaude, l'air dans la bouteille se dilate, sa masse volumique diminue. Les molécules d'air froid se déplacent lentement et occupent un espace restreint alors que les molécules d'air chaud se déplacent rapidement et occupent un espace plus grand. Cela veut dire qu'à pression constante, l'air chaud prend plus de place pour la même quantité de matière que l'air froid.

En effet, une molécule d'air chaud est soumise à son poids qui est dirigé vers le bas et à la poussée d'Archimède dirigée vers le haut. La résultante est alors, comme dans le cas d'une montgolfière, dirigée vers le haut et l'air chaud va alors monter dans l'air froid environnant. Pendant ce temps, l'air froid du dessus descend puisqu'il est plus dense ; on parle de mouvements de convection au sein de la bouteille. En se dilatant, l'air prend plus de place dans le système. Il exerce une pression dans le ballon, augmentant ainsi son volume.

A l'inverse, si l'on refroidit le ballon, tout l'air chaud a tendance à retomber car sa masse volumique augmente. Il diminue alors considérablement son volume. Il se crée alors une dépression dans le système qui "aspire le ballon" de sorte à minimiser le volume d'air contenu.

Liens avec d'autres expériences

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Autres expériences

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Applications : liens avec le quotidien

  • Les montgolfières

Image:Luftschiff Montgolfier.jpg

L'air chauffé fait gonfler la toile d'une montgolfière, ce qui lui permet de s'élever dans le ciel.

  • Les tornades

Image:Roanoke tornado.jpg

Pour qu'une tornade se développe, il est nécessaire que l'air soit soumis à des conditions particulières. Cette instabilité n'est possible que si, près d'une surface considérée, le rayonnement solaire est favorable au développement d'air chaud et humide tandis qu'à une altitude supérieure, un apport d'air froid refroidit l'atmosphère. Les conditions sont alors très instables puisque l'air chaud étant plus léger que l'air froid, il est censé surmonter celui-ci. Une simple poussée vers le haut peut alors provoquer des orages d'importance non négligeable puisque ceux-ci sont susceptibles d'engendrer des tornades.

  • Les mouvements de convection divers

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