TP Géothermie correction
Nous savons que le gradient géothermique est le résultat des désintégrations radioactives se déroulant en profondeur, le manteau représentant la masse la plus importante c’est lui qui est la principale source de la chaleur interne terrestre.
Le flux géothermique témoigne que la chaleur se dissipe du manteau vers la surface via la lithosphère.
Quels sont les mécanismes qui permettent ce transfert de chaleur ? Nous émettons 2 hypothèses : la convection, la conduction.
Expériences 1 : testons l’hypothèse d’une convection.
- Protocole : - Résultats
On observe que dans l’expérience où la source de chaleur est haute, la température de la partie supérieure augmente (20à 80 °C) tandis que la température du fond reste stable (20à23°C).
On observe la mise en place d’une délimitation nette entre l’eau chaude en surface et l’eau plus froide en profondeur (thermocline)
Nous savons que la densité de l’eau varie avec la température, l’eau chaude, moins dense reste en surface tandis que l’eau moins chaude, plus dense stagne au fond. Les eaux ne se mélangent pas.
Dans l’expérience où la source de chaleur est au fond, les températures relevées par les 2 sondes augmentent de façon identique.(20à70°C)
L’eau chauffée en profondeur, moins dense, s’élève elle transfère la chaleur à la partie supérieure.
Nous observons donc un transfert de chaleur avec déplacement de matière : il s’agit d’une convection que nous allons mieux visualiser dans l’expérience suivante ;
Expérience 2 : modélisation du phénomène de convection
Les mouvements ascendants de matière chauffée (moins dense) sont visualisés grâce à la
coloration.
L’huile colorée refroidie ensuite en surface et la matière refroidie (plus dense) redescend au fond du dispositif.
Se mettent ainsi en place des cellules de
convection qui transfèrent la chaleur du fond du bécher vers le haut avec déplacement de matière.
On peut donc bien imaginer que le manteau, réchauffé par les réactions de désintégrations radioactives est animé de mouvements de
convection qui transfèrent la chaleur du manteau vers la lithosphère.
Mais que se passe-t-il au niveau de la lithosphère, rigide.
Huile
Huile + craie
rouge
Source
de chaleur
Mouvement ascendant de l’huile chauffée, moins dense
Mouvement descendant de l’huile refroidie en surface, plus dense
Expérience 3, testons l’hypothèse d’une conduction.
Protocole :
Dépôts de cire de plus en plus éloignés de la source de chaleur
Barre de granite
Source de chaleur
On observe que les dépôts de cire fondent successivement du plus proche au plus éloigné de la source de chaleur.
Je sais que le granite peut conduire la chaleur de « proche en proche » par un mécanisme d’agitation moléculaire, sans déplacement de matière, j’en déduis que la chaleur à été transférée par un mécanisme de conduction qui pourrait expliquer le transfert de chaleur à travers la lithosphère.
La T° de fusion de la cire est de 45°, cette T° est très vite atteinte au travers de la barre de granite, le gradient géothermique est plus important par conduction.
La capacité de conduire la chaleur va dépendre de la nature de la roche. Ainsi à un endroit donné, le flux géothermique est la résultante du gradient géothermique et de la conductivité des roches.
Conclusion.
Il semble que les 2 mécanismes interviennent dans le transfert de chaleur du manteau vers la surface :
