TP8

1. TP8 TP 8: LE TRANSFERT D’ENERGIE THERMIQUE AU SEIN DU GLOBE

2. En Nouvelle Zélande, le geyser Pohutu éjecte de l’eau très chaude et de la vapeur à plus de 20 mètres de haut, au moins une fois toutes les heures. SITUATION DECLENCHANTE TP 8 En Islande dans le « le blue lagoon », l’eau est maintenue toute l’année à 40°C grâce aux eaux rejetées par la centrale géothermique voisine qui puise, à 2000 m de profondeur, de l’eau à 240°C . Qu’est-ce que le flux géothermique? Citez-en des manifestations de surface dans les zones à flux géothermique élevé. Carte mondiale du flux géothermique

3. PROBLEMATIQUE TP 8 Par quel(s) mécanisme(s) se réalise la dissipation de l’énergie interne du globe à l’origine de l’inégale répartition du flux géothermique .

4. OBJECTIF TP8 • Définir les différents types possibles de transfert d’énergie thermique au sein du globe terrestre; • Modéliser deux types de transfert d’énergie thermique afin d’établir leur efficacité relative dans le cadre d’une dissipation de chaleur par la surface du globe. • Exploiter les mesures expérimentales pour déterminer le(s) mode(s) de transfert thermique au niveau de chaque enveloppe terrestre. • Expliquer alors l’inégale répartition du flux géothermique observé à la surface du globe.

5. CONSIGNE TP8 • Afin de définir les types de transfert d’énergie thermique:. • Indiquer en quoi le modèle proposé en vidéo ne correspond pas à un transfert d’énergie thermique par conduction. Définir alors ce deuxième mode de transfert. Voir Fiche Modèle analogique • Afin de déterminer le mode de transfert le plus efficace pour dissiper la chaleur interne de la Terre: • Schématiser le dispositif expérimental proposé et indiquer, en justifiant, quel mode de transfert de chaleur peut ainsi être modélisé. Voir Fiche Dispositif expérimental • Construire, avec le matériel proposé, un dispositif expérimental permettant de modéliser l’autre mode de transfert. • Indiquer comment on peut calculer le gradient thermique dans ces deux dispositifs, sachant que le gradient géothermique est la variation de température par unité de distance dans une enveloppe terrestre. • Réaliser les mesures en mode conductif et en mode convectif en utilisant les dispositifs expérimentaux reliés à une interface EXAO. Voir Fiche Protocole de mesure • Tracer à l’aide du fichier Excel (TP8-TS-13-GEOLgéothermie),les 2 courbes suivantes, sur un même graphique  • - l’évolution du gradient thermique en fonction du temps selon le mode de transfert par conduction • l’évolution du gradient thermique en fonction du temps selon le mode de transfert par convection  • afin d’évaluer le gradient thermique maximal obtenu pour chaque mode de transfert • Déterminer le mode de transfert d’énergie thermique le plus efficace, sachant que la dissipation d’énergie est d’autant plus importante que le gradient thermique est faible.

6. CONSIGNE suite TP8 • Afin de déterminer le mode de transfert pour chaque enveloppe ou zone de discontinuité terrestre: • sous la forme d’un tableau • Préciser au niveau des différentes enveloppes et zones de discontinuité terrestres, la valeur et le niveau du gradient géothermique (en °C/Km, fort, moyen, faible) et ainsi, en relation avec les résultats expérimentaux , le mode de transfert de chaleur pour chaque niveau. Voir Fiche Gradient géothermique moyen • Indiquer alors les enveloppes et zones de discontinuités qui participent activement au refroidissement du globe terrestre, ou au contraire celles qui ralentissent ce refroidissement. • Afin d’expliquer l’inégale répartition du flux géothermique à la surface du globe : • Exploiter les images de tomographie sismique pour confirmer le mode de transfert de l’énergie thermique au sein de l’asthénosphère. Voir Fiche Données de tomographie sismique • Expliquer alors en quoi ce mode de transfert est à l’origine de l’inégale répartition du flux géothermique et le moteur de la tectonique des plaques.

7. Consigne Modèle analogique de transfert par convection Dispositif expérimental modélisant un type de transfert thermique Protocole expérimental de mesure de la conduction et de la convection. Données de tomographie sismique Utilisation d’un tableur: Excel Géotherme moyen terrestre hypothétique

8. Ressources Consigne Protocole expérimental de mesure de la conduction et de la convection • Dans « Atelier scientifique », sélectionnez l’application « Module généraliste ». • Placez en ordonnée les boitiers thermométriques 1 et 3. • Pour chacun des boitiers, configurez les paramètres de l’Affichage en sélectionnant une couleur foncée et des « points » d’aspect différent pour chacune des 2 courbes. • Placez en abscisse l’icône du « temps », configurez la durée d’acquisition sur 7 minutes, puis sur 22 pour le nombre de points. • Au moment de lancer les mesures, mettez en marche le bain-marie avec le thermostat sur 80°C. • Appelez le professeur avant de lancer les mesures

9. Ressources Les différents modes de transfert d’énergie au sein du globe terrestre Consigne Les deux types possibles de transfert thermique dans un matériau sont la conduction et la convection. La conduction correspond à un transfert d’énergie thermique dans un solide ou un fluide réalisé de proche en proche par transmission d’une agitation des atomes mais sans déplacement de ces derniers. Modèle analogique de convection

10. Ressources Dispositif expérimental modélisant un type de transfert thermique Consigne A la place de « thermomètres alcool » on utilisera des sondes thermiques reliées à une interface Exao.

11. Ressources Utilisation du tableur Excel Consigne Formule du calcul du gradient à inscrire Reportez par un copier/coller les valeurs dans les colonnes du fichiers Excel et marquez la formule permettant d’obtenir le gradient thermique (tenir compte de l’écartement des sondes).

12. Ressources Consigne Géotherme moyen terrestre hypothétique

13. Ressources Consigne Tomographie sismique sur une profondeur de 1000 kmselon la coupe Amérique-Afrique

14. La Tomographie sismique

15. Ressources La Tomographie sismique (suite)