1.2 Air et température dans le ballon.

Il s'agit de voir l'importance de l'air et de sa masse en fonction de la température.

a°) Mise en évidence expérimentale de la variation de la masse volumique de l'air en fonction de la température

Expérience : il s'agit de verser de l'eau chaude puis de l'eau froide sur une bouteille d'eau dont le bouchon a été remplacé par un ballon afin de voir le comportement du gaz contenu dans la bouteille, notamment en étudiant les modifications de forme du ballon.

https://www.youtube.com/watch?v=ycKsyhpb0AY

Observation - Interprétation: lorsque que l'on verse de l'eau chaude sur la bouteille fermée hermétiquement par le ballon, ce dernier gonfle : le volume du gaz contenu à l'intérieur de l'ensemble est plus important pour une même quantité de matière. Lorsque l'on verse de l'eau froide  sur la bouteille, le volume du ballon diminue : l'air prend “moins de place“ toujours pour la même quantité de matière.

Ainsi, on remarque que si la quantité de matière est fixée, le volume augmente avec la température. En revanche, si le volume est fixe, la quantité de matière diminue lorsque la température augmente. On en conclut que l'air chaud est plus léger que l'air froid.

Application à la montgolfière: comme le vol de la montgolfière est conditionné par son poids lié à la masse de l'air contenu dans son ballon, c'est en fait l'augmentation de la masse volumique de l'air qui conditionne le vol de la montgolfière. En effet, le volume de la montgolfière va rester le même au cours du vol mais comme l'air prend “plus de place“ à cause de la chaleur, les molécules de l'air vont sortir du ballon allégeant ainsi la montgolfière.

On cherche maintenant à déterminer exactement la variation de la masse volumique de l'air en fonction de sa température.

b°) Etude la variation de la masse volumique de l'air en fonction de la température.

Grâce à la loi des gaz parfaits, il est possible d'étudier la variation de la masse volumique de l'air en fonction de la température. Les calculs ont été effectués grâce à un tableur Excel et sont visibles dans la rubrique " Annexe 1."

Interprétation :

Dans un intervalle de 0 à 100°C , plus la température augmente, moins la masse de l'air pour un même volume est importante.

Dans le ballon d'une montgolfière, le volume va rester le même mais la température va augmenter à cause du chauffage. Ainsi, la masse du volume d'air contenu dans le ballon va diminuer et la montgolfière va pouvoir décoller car les forces qui s'exercent sur elle vont varier en fonction de la masse de la montgolfière, et donc de la masse de l'air contenu dans le ballon (cf: II.3 Bilan des forces).

https://www.youtube.com/watch?v=EaNFE-qQvW0

Expérience :

Il s'agit de de brûler un sachet de thé préalablement vidé de son contenu.

Interprétation: on remarque que le sachet, après s'être partiellement embrasé, s'envole. En effet l'air chaud, lorsque le sachet brûle, contraste avec l'air plus froid qui est autour. On peut donc en conclure que l'air chaud est plus léger que l'air froid ambiant, ce qui fait voler le sachet de thé.

Ainsi la montgolfière est d'abord gonflée a l'air froid avant d' être chauffée à l'air chaud pour faciliter le décollage.