La lumière du soleil chauffe, mais toutes les surfaces chauffent-elles autant ?
Difficulté
Facile
Durée
30 minute(s)
Disciplines scientifiques
Science de la terre, Optique
Introduction
Avec le réchauffement climatique, les épisodes de canicule sont de plus en plus fréquents et affectent les populations, en particulier dans les villes. Pourquoi les couleurs et les matériaux utilisés dans la construction sont-ils essentiels pour comprendre et pour limiter l'augmentation de chaleur dans les habitations ?
- Matériel et outils
Papier 
Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est considéré comme un matériau de base dans les domaines de l’écriture, du dessin, de l’impression, de l’emballage et de la peinture. Il est également utilisé dans la fabrication de composants divers, comme les filtres.
L’histoire du papier remonte à l’Antiquité. Le papier porteur d’un message le plus ancien connu à ce jour date de l’an 8 av. J.-C. et a été trouvé en Chine.
Aluminium 
Rouleau d'aluminium
Feutre de couleur 
Sert a colorier
Ruban adhésif 
Un ruban adhésif ou papier collant (Belgique) est un ruban recouvert de substance adhésive. Il se présente généralement sous la forme d'un rouleau dont la face externe est non adhésive. Il est utilisé notamment pour lier des objets entre eux ou simplement pour recouvrir un objet d'un film protecteur.
Ciseaux 
Un paire de ciseaux est un outil comportant deux lames mobiles articulées qui glissent l'une sur l'autre pour trancher les matériaux minces.
Carton 
Le terme carton désigne certains types de papiers généralement caractérisés par une rigidité, une épaisseur et/ou un grammage relativement élevés ; cependant, la distinction peut être faite en fonction des caractéristiques et de l’emploi. Par exemple, certains matériaux cannelés légers sont considérés comme des cartons alors que les feuilles de papier buvard ou certains supports artistiques à fort grammage sont considérés comme des papiers.
Projecteur 
Un projecteur est un système d'éclairage portatif puissant, qui produit de la lumière et de la chaleur.
Étape 1 - Réunir le matériel
- un projecteur (spot) ou une journée ensoleillée
- deux plaques de carton
- du papier blanc (et si possible du papier noir)
- du papier aluminium
- un feutre noir
- une paire de ciseaux
- du ruban adhésif
- en option : d'autres matériaux et couleurs : ardoise, tuile, caoutchouc, fer, bois...
Étape 2 - Préparer le matériel
- Découper deux bandes de papier blanc (ou si l'on a du papier noir, découper une bande de papier blanc et une de papier noir), et deux bandes de papier aluminium de même taille (par exemple 15cm x 3 cm)
- A l’aide du marqueur, colorier en noir l’une des bandes de papier blanc et l’une des bandes d’aluminium (sur une seule face)
- Avec l’adhésif, coller les quatre bandes côte à côte sur une plaque de carton sans qu’elles se touchent, en plaçant les faces coloriées en noir vers le haut
Étape 3 - Installer l'expérience
- Placer la plaque de carton sous le projecteur ou au soleil
- Installer la deuxième plaque de carton, légèrement surélevée, au dessus de la première pour que la moitié des bandes soient à l'ombre.
- Si l'on dispose d'autres matériaux à tester, les placer également sous la lumière.
Étape 4 - Réaliser l'expérience
- Allumer le projecteur.
- Laisser l'expérience à la lumière au moins 15 minutes, puis éteindre le projecteur. Retirer la plaque de carton du dessus.
- Comparer la température des bandes en les touchant du bout des doigts, en commençant par les parties restées à l'ombre, puis sur les parties qui ont été éclairées.
- Si l'on se trouve à l'extérieur par une journée ensoleillée, observer les différentes surfaces aux alentours, leur couleur et les matériaux qui les composent. Comparer au toucher la température des différentes surfaces, si possible à l'ombre et à la lumière : route en bitume, sol en béton, muret en pierres, clôture en bois, herbe...
Comment ça marche ?
Observations : que voit-on ?
Après plusieurs minutes d’exposition aux rayons lumineux, les différentes bandes de papier et d’aluminium n’ont pas la même température. Le papier est devenu plus chaud que l'aluminium, et les bandes coloriées en noir sont plus chaudes que celles de couleur claire. Les parties des bandes de papier qui étaient placées à l'ombre sont restées nettement plus froides que celles situées à la lumière. Les parties des bandes d'aluminium qui étaient dans l'ombre sont aussi chaudes que celles qui ont été placées à la lumière. D'autres matériaux, comme l'ardoise ou la pierre, sont devenus très chauds, y compris les parties situées à l'ombre.
Mise en garde : qu'est-ce qui pourrait faire rater l'expérience ?
Cette expérience ne peut pas fonctionner avec des lumières dites « froides », comme les lampes à LED ou les néons, dont la lumière ne dégage que très peu de chaleur.
Explications
Les couleurs sombres absorbent plus la lumière, elles chauffent donc plus rapidement que les couleurs claires. Certains matériaux capturent et conservent mieux la chaleur que d’autres.
Certains matériaux comme métal (ici l’aluminium), ou la pierre (comme l'ardoise), une fois chauffés, permettent mieux à la chaleur de se propager que le papier, on dit que ces matériaux sont de bons conducteurs de chaleur. Leurs parties placées à la lumière ont transmis leur chaleur aux parties situées à l'ombre. Les matériaux qui conduisent mal la chaleur, comme le carton, ou le papier, sont appelés isolants. Seules leurs parties éclairées chauffent, tandis que leurs parties restées à l'ombre restent fraîches.
Plus d'explications
Lorsqu’une surface est exposée à la lumière du soleil ou à autre une source lumineuse chaude, elle renvoie une partie la chaleur contenue dans les rayons lumineux : on dit qu’elle réfléchit une partie de la lumière. Mais elle absorbe aussi une partie de la chaleur, ce qui augmente sa température. Cette augmentation de température sera plus ou moins importante selon la couleur et la matière de la surface éclairée. Les surfaces de couleur claire (ici la papier blanc et l'aluminium clair) réfléchissent plus la lumière, et donc accumulent moins vite la chaleur que les surfaces sombres. Ce phénomène est appelé « albédo ».
Certains matériaux, comme la pierre ou le bitume qui recouvre les routes, absorbent et conservent plus longtemps la chaleur que d’autres matériaux comme le papier, le tissu ou le bois.
Applications : dans la vie de tous les jours
Les bâtiments et les toitures de couleur sombre emmagasinent plus de chaleur que ceux de couleur claire. Les toitures sombres, en ardoise ou goudronnées, chauffent plus vite et restent chaudes plus longtemps que les toits couverts de tuiles claires ou les toits végétalisés (couvertes d'herbes).
C’est pour cette raison que les habitations et les toits sont souvent de couleur claire dans les régions très exposées au soleil et à la canicule, comme c’est le cas en Grèce par exemple.
Au contraire, on utilisera plutôt des couleurs sombres et des matériaux qui accumulent et conduisent mieux la chaleur dans les équipements qui utilisent l’énergie solaire pour produire de la chaleur, tels que les chauffe-eau solaires. L'aluminium, qui réfléchit fortement la lumière, est utilisé pour fabriquer des dispositifs qui concentrent les rayons lumineux et la chaleur vers un même point, comme dans les fours solaires.
Dans les villes, les grandes étendues de béton ou de bitume, comme les routes, les parkings, certaines cours d’école, les grandes places et les grands ensembles d’immeubles, deviennent des îlots de chaleur urbains (ICU). Ces zones forment des « bulles de chaleur », où il peut être très pénible de vivre, car elles chauffent beaucoup durant la journée, et la nuit elles ne se rafarichissent que très peu, et libèrent la chaleur accumulée durant la journée. Ce phénomène devient de plus en plus problématique avec l’augmentation des températures causée par le réchauffement climatique. *
Pour limiter les îlots de chaleur dans les villes, il existe différentes techniques. Le plus efficace est de conserver ou de créer des points d’eau et des zones boisées ou végétalisées (pelouses, toitures végétales), de favoriser une bonne circulation naturelle de l’air, et d’utiliser pour les constructions des matériaux qui réfléchissent beaucoup les rayons du soleil sans accumuler la chaleur.
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Éléments pédagogiques
Objectifs pédagogiques
- Montrer que les surfaces exposées au soleil ne se réchauffent pas de la même manière en fonction de leur couleur et de leur matériau
- Aborder les notions de lumière réfléchie et absorbée
- Comprendre le lien entre l’absorption de l’énergie lumineuse et l’augmentation de chaleur
- Faire le lien avec les problématiques liées au réchauffement climatique, la fonte des glaces, la construction et les îlots de chaleur urbains, les équipements à énergie solaire thermique.
Pistes pour animer l'expérience
Il est intéressant de proposer cette expérience dans le cadre d’animations consacrées au réchauffement climatique et à ses enjeux, à l’écoconstruction, aux énergies renouvelables ou encore à l’aménagement des villes.
L’expérience peut servir d’introduction à un défi-climat, où les participants devront formuler des propositions pour limiter l’augmentation de température dans un environnement urbain.
Dernière modification 21/11/2021 par user:Maud M..
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