Quel est le moyen le plus rapide de faire fondre de la glace ?

Le défi :

obtenir le plus rapidement possible 200 ml d'eau à partir de 1 kg de glaçons. Les élèves disposent pour ce faire de matériel en tout genre, par exemple un ventilateur, du sel, du métal et bien d'autres choses encore. Certains objets ne sont peut-être là que pour semer la confusion 😉 Deux candidates ont dû relever ce défi épineux lors d'un duel dans la première saison de Take Off.

Un défi de ce type, à l’instar d’une expérience, permet à la fois d'aborder la science de façon interactive et ludique et d'enseigner la méthode scientifique.

Règles :

• La première équipe / personne à recueillir 200 ml d'eau dans l'éprouvette a gagné.
• Toutes les équipes / personnes commencent au même moment.
• Il est interdit de brûler des matériaux qui ne sont pas conçus à cet effet.
• L’éprouvette ne doit pas contenir de glace.
• Facultatif : il est préférable de porter des gants lors de la manipulation des glaçons afin d'éviter tout contact corporel direct.

Nous allons vous montrer comment reproduire ce défi divertissant en rapport avec la physique avec votre groupe d'élèves ou de jeunes.

Vous pouvez visionner l'épisode de Take Off dans lequel les deux candidates doivent relever ce défi en cliquant sur le lien suivant : Take Off Show Luxembourg | Where focus goes, energy flows!⚡️Épisode 2 | s. 1 | (youtube.com) Le duel commence à la minute 22:45.

Déroulement : Enseigner la méthode scientifique à l'aide du Science Challenge

Ce défi peut être réalisé individuellement ou en groupe. Il est essentiel que les participants utilisent tous le même type de matériel et que les règles et les critères pour gagner soient clairs. La difficulté du défi varie en fonction du matériel mis à disposition.

Le défi repose sur les quatre étapes d’enseignement de la méthode scientifique : 1. question, 2. hypothèses, 3. expérience / test 4. conclusion.

Le défi principal réside dans la question. Les élèves formulent leurs hypothèses de manière très intuitive : quelle est la meilleure façon de résoudre le défi ? Quelle est la méthode la plus prometteuse ? Ils doivent ensuite tester cette hypothèse lors de l'expérience ou de la mise en œuvre. Si différents groupes emploient des approches différentes, différentes hypothèses seront testées. Le résultat indique quelle hypothèse était la meilleure.

 

1. Formuler une question : le responsable du défi énonce la question : quelle est la méthode la plus rapide pour faire fondre de la glace ?

2. Formuler des hypothèses : les groupes disposent de 3 à 5 minutes pour examiner le matériel disponible. Les élèves réfléchissent à la manière dont ils pourraient remporter ce défi, c’est-à-dire à la méthode la plus rapide pour faire fondre les glaçons. Ils réfléchissent donc à différentes hypothèses.

3. Réaliser des tests : dans un défi, la phase de test pour vérifier les hypothèses correspond à la compétition. Le responsable donne le coup d’envoi et surveille le niveau d'eau dans les éprouvettes des différentes équipes. Dès que l'une des équipes atteint l'objectif fixé, le responsable annonce les gagnants.

4. Conclusion / explication : le responsable discute à présent avec les candidats de la ou des méthodes les plus adaptées. Pour quelles raisons sont-elles efficaces ? Pourquoi les gagnants ont-ils été plus rapides que les autres candidats ? Pourquoi les autres méthodes étaient-elles moins efficaces ? Le cas échéant, les groupes peuvent aussi tester une autre méthode lors d'un deuxième tour afin de s'améliorer.

Fusion de la glace – propriétés physiques

Pour fondre, la glace nécessite plus d'énergie qu'on ne pourrait le penser de prime abord. En effet, il faut à peu près la même quantité d'énergie pour faire fondre 1 g de glace que pour chauffer 1 g d'eau de 0 à 80 °C, soit 334 kJ/g ou 80 kcal/g. Différentes méthodes peuvent être utilisées ou combinées pour apporter le plus rapidement possible cette énergie aux glaçons :

• Augmentation de la surface de contact avec l'air chaud : à température ambiante, l'air ambiant peut être utilisé pour la fusion. Mais ce processus prend du temps. Il est accéléré lorsqu’on broie les glaçons et qu’on augmente la surface de contact avec l'air ambiant.
• Ventilateur : à l’aide d'un ventilateur, on peut diffuser en permanence de l'air « chaud » (environ 22°°C) sur les glaçons. Lorsque les glaçons fondent, l'humidité de l'air ambiant environnant augmente directement. Lorsque cet air est saturé, le processus d'évaporation prend plus de temps. Les glaçons fondent plus rapidement si de l'air frais, c'est-à-dire de l'air non saturé, est diffusé dessus de façon permanente.
• Incorporation de métal : le métal est un bon conducteur de chaleur et peut donc transmettre plus rapidement de la chaleur aux glaçons, ce qui accélère la fusion.
• Apport de chaleur : il est possible de fabriquer un récipient en aluminium rempli de glaçons et de le chauffer au-dessus d'une bougie ou de chauffer les glaçons à l’aide d'un fil thermique et d'une pile.
• Ajout de sel : le sel fait fondre la glace en abaissant la température de congélation de l'eau. Une solution saline saturée ne gèle qu'à environ -21 °C.
• Combinaison de différentes méthodes : c'est probablement en combinant toutes les méthodes ou plusieurs d’entre elles que l'on parvient à faire fondre les glaçons le plus rapidement.

Auteurs: Lucie Zeches, Joseph Rodesch (FNR)
Editeurs: Jean-Paul Bertemes, Michèle Weber (FNR)
Traduction: Nadia Taouil (T9n)