Une façon simple d’observer l’agitation thermique consiste à observer le mouvement désordonné de petites particules en suspension dans un fluide. Ce mouvement, appelé mouvement brownien, est dû aux chocs incessants de ces petites particules avec les molécules du fluide soumises à l’agitation thermique. Le botaniste écossais R. Brown a été le premier à observer au microscope le mouvement de petites particules contenues dans des grains de pollen en 1827.

- Diffusion de fumée dans de l’air.

- Diffusion de vapeur de brome (Br2, de couleur brune) dans de l’air puis dans du vide.

- Le dioxyde d’azote (NO2, de couleur brune aussi), plus léger, diffuse plus rapidement dans l’air que la vapeur de brome Br2, plus lourd.

- Diffusion d’ammoniac (NH3) et d’acide chlorydrique (HCl) : quand ces 2 gaz se rencontrent, ils réagissent pour former du chlorure d’ammonium (NH4Cl, vapeur blanche). Comme c’est une réaction acide-base, on peut voir la diffusion à l’aide d’un papier pH qui devient rouge pour HCl (acide), bleu pour NH3 (base) et jaune pour NH4Cl (de pH neutre)

- La diffusion de colorant dans de l’eau est d’autant plus rapide que la température est élevée (D croît avec T).

On plonge un sachet à dialyse contenant une solution d’amidon (« starch » en anglais) dans une solution iodée (couleur brune). On rappelle que l’amidon se colore en bleu foncé au contact de l’iode. Au bout de 10 min, le sachet devient bleu tandis que la solution dans le verre garde sa couleur brune. L’iode a diffusé dans le sachet (d’une zone de forte concentration en iode, vers une zone de faible concentration en iode) mais l’amidon n’a pas diffusé dans le verre car la membrane du sachet est semi-perméable et ne laisse pas passer les molécules d’amidon, trop grosses.

Cette manip illustre le principe de la dialyse, utilisée par exemple en cas d’insuffisance rénale pour filtrer le sang. Elle illustre aussi la façon dont la membrane cellulaire contrôle les échanges.

Le colorant rouge est déposé au fond de l’aquarium, au-dessus d’un verre chaud : entraîné par le courant de convection, le colorant rouge monte. Le glaçon a été trempé dans un colorant bleu : entraîné par le courant de convection froid, le colorant bleu descend.

1. -Convection dans le tube : l’eau chaude, moins dense, monte et entraîne avec elle le colorant.
   

2. -Colorants dans l’aquarium : des récipients contenant de l’eau chaude à gauche et de l’eau froide à droite et placés sous l’aquarium provoquent des courants de convection bien visibles.
   

3. -Tectonique des plaques : due aux courants de convection dans le manteau terrestre.
   

4. -Lampes à lave : la cire, légèrement plus dense que le liquide, est chauffée par la lampe placée à la base du récipient et refroidie à la surface.

Lorsque le liquide chaud est placé sous le liquide froid, un courant de convection mélange les deux liquides et donc ici les couleurs.  Mais lorsqu’on met le liquide froid sous le liquide chaud, le liquide froid se retrouve piégé.

Cette manip illustre le phénomène d’inversion de température, lorsqu’une masse d’air froid se retrouve piégée sous une masse d’air chaud. Si cette inversion se produit au-dessus d’une ville, l’air pollué s’accumule en bas au lieu de monter sous l’effet de la convection et de se disperser dans l’atmosphère.

L’aluminium (à droite) est meilleur conducteur thermique que le bois (à gauche), la température de contact est donc plus élevée avec le métal qu’avec le bois.

Le métal qui conduit la chaleur le plus rapidement est celui qui a la plus grande diffusivité thermique a=K/rho c. Dans l’ordre de diffusivité décroissante : Cu, Al, Bronze (Brass), Nickel et Acier (Steel).

Vidéo 1 :

1ère expérience : conduction de la chaleur dans différents métaux. Semblable à la vidéo précédente, sauf qu’ils utilisent ici une peinture sensible à la chaleur, mais ils ont dû inverser les barres de Cu et d’Al, car c’est évidemment le cuivre qui a la plus grande diffusivité. Dans l’ordre de diffusivité décroissante : Cu, Al, Zinc, Etain (Tin), Fer (Iron) et Plomb (Lead).

2ème expérience : le papier brûle au niveau du bois mais pas au niveau du métal : cela vient de ce que le métal, bon conducteur thermique, évacue mieux la chaleur que le bois, évitant ainsi au papier de brûler.

3ème expérience : un verre en carton plein d’eau au-dessus d’une flamme ne brûle pas : l’eau évacue la chaleur par conduction et convection. Sachant que la température de l’eau n’excède pas 100°C (température d’ébullition sous 1 atm) et que la température d’ignition du papier est de 233°C (451°F, du nom d’un célèbre film de F. Truffaut), tant qu’il y a de l’eau, le carton ne brûle pas. Mais en haut du verre, là où il n’y a pas d’eau, la chaleur s’accumule et le carton finit par brûler…

Vidéo 2 : une autre vidéo avec deux verres en carton sur un feu, l’un vide (à gauche) et l’autre rempli d’eau (à droite).