Partie 1 : Introduction à la densité physique
La densité physique (g/mL) correspond à la quantité de masse (g) contenue dans un certain volume (mL). Si un objet contient beaucoup de masse dans un petit espace, il a une densité physique élevée. S’il ne contient pas beaucoup de masse dans un grand espace, il a une faible densité physique.
Mesure de la densité physique
Étape 1 : Rassemblez le matériel fourni par votre enseignant. Indiquez, dans la première colonne des deux tableaux de données, le nom de chaque matériau dont vous allez mesurer la densité physique.
Étape 2 : Si votre enseignant vous fournit la masse (en grammes) de chaque objet, notez-la dans le premier tableau de données. Si vous mesurez vous-même la masse, suivez les instructions ci-dessous.
- Allumez la balance, déposez un morceau du matériau et mesurez sa masse en grammes. Notez la masse de chaque matériau dans le premier tableau de données.
Étape 3 : Vous allez ensuite mesurer le volume du matériau à l’aide d’une éprouvette graduée et d’eau.
- Remplissez une éprouvette graduée avec environ 80 mL d’eau, mais notez la quantité EXACTE dans la colonne Volume initial du tableau de données de densité.
- Ajoutez délicatement le matériau dans l’éprouvette graduée, en le submergeant complètement dans l’eau.
- Notez le nouveau volume dans la colonne Volume final du tableau de données de densité.
- Soustrayez le volume final du volume initial pour déterminer le volume du matériau. Montrez votre travail dans le tableau de calculs de densité.
Tableau de données de densité
| Matériau | Masse (g) | Volume initial (mL) | Volume final (mL) |
|---|---|---|---|
Étape 4 : Vous êtes maintenant prêt(e) à calculer la densité physique de chaque matériau ! Utilisez la formule suivante :
Densité (g/mL) = Masse (g) / Volume (mL). Montrez votre travail pour chaque matériau dans le tableau de calculs.
Tableau de calculs de densité
| Matériau | Volume (mL) du matériau (montrez votre travail) | Densité (g/mL) (montrez votre travail) |
|---|---|---|
Étape 5 : Répondez aux questions.
- Indiquez chaque matériau ainsi que sa densité physique, du plus élevé au moins élevé.
- Certains résultats vous ont-ils surpris ? Pourquoi ?
- Selon vous, en quoi la mesure de la densité physique est-elle utile dans le monde réel ? (par exemple, en construction, en transport maritime, en sciences de l’environnement, etc.)
Partie 2 : Introduction à la densité énergétique
La densité énergétique est la quantité d’énergie stockée dans un combustible par unité de masse. Elle indique la quantité de travail que l’on peut obtenir à partir d’une certaine quantité de combustible ou de pile. Par exemple, une barre de chocolat et une banane peuvent avoir la même taille, mais la barre de chocolat vous apporte plus d’énergie – elle a donc une densité énergétique plus élevée.
Pour calculer la densité énergétique de la biomasse et des combustibles fossiles, on détermine les mégajoules (énergie) par kilogramme (unité de masse). Pour calculer la densité énergétique des aliments, on détermine les calories (énergie) par gramme (unité de masse). Les aliments sont le carburant de notre corps, et nous consommons chaque jour des aliments ayant des densités énergétiques différentes. Votre corps « brûle » les aliments de la même façon qu’une voiture brûle du carburant – il le fait simplement de manière chimique et plus lente. Dans cette activité, vous utiliserez des étiquettes nutritionnelles pour calculer la densité énergétique des aliments.
Exploration de la densité énergétique
Étape 1 : Rassemblez les étiquettes nutritionnelles et indiquez le nom de chaque aliment dans la colonne Aliment du tableau.
Étape 2 : Repérez attentivement le nombre de calories par portion indiqué sur les étiquettes. Notez les calories par portion dans la colonne Énergie.
Étape 3 : Repérez attentivement le nombre de grammes par portion indiqué sur les étiquettes. Notez-le dans la colonne Masse.
Étape 4 : Vous êtes maintenant prêt(e) à calculer la densité énergétique de vos aliments ! Utilisez la formule suivante :
Densité énergétique (Cal/g) = Énergie (Cal) / Masse (g). Notez vos résultats pour chaque aliment dans la colonne Densité énergétique.
Tableau de données
| Aliment | Énergie (Cal) | Masse (g) | Densité énergétique (Cal/g) |
|---|---|---|---|
Étape 5 : Tracez un graphique ou établissez un classement des aliments, du plus élevé au moins élevé en densité énergétique.
Étape 6 : Répondez à la question.
- Pourquoi les athlètes ou les randonneurs choisissent-ils souvent des collations à haute densité énergétique ?
Étape 7 : Intéressons-nous maintenant à la densité énergétique de différents combustibles. Tout comme les calories des aliments varient, l’énergie des combustibles varie également. Nous mesurons la densité énergétique des combustibles en mégajoules par kilogramme. Étudiez le tableau de données suivant, qui compare la densité énergétique approximative de différents combustibles.
| Combustible | Densité énergétique (MJ/kg) |
|---|---|
| Bois | ~16 MJ/kg |
| Charbon (bitumineux) | ~24 MJ/kg |
| Pétrole brut | ~42 MJ/kg |
| Gaz naturel liquéfié | ~55 MJ/kg |
| Uranium (enrichi à 3,5 %, dans un réacteur à eau légère) | ~3 900 000 MJ/kg |
Étape 8 : Associez chaque combustible à la description de sa densité énergétique. Utilisez chaque combustible une seule fois.
- _________________________ Plus d’énergie que le bois. Courant dans les centrales électriques.
- _________________________ Extrêmement élevée ! Une infime quantité fournit une énergie considérable. Utilisé dans le nucléaire.
- _________________________ Faible énergie pour son poids. Il en faut beaucoup pour produire de l’électricité.
- _________________________ Haute énergie. Utilisé pour l’essence et les carburants.
- _________________________ Haute énergie, en particulier sous forme liquide.
Étape 9 : Imaginez que chaque contenant représente le même volume d’un combustible donné. Avec votre crayon ou votre stylo, ajoutez un point pour représenter CHAQUE MJ/kg de densité énergétique pour les quatre premiers combustibles. Lorsque vous arrivez à l’uranium, coloriez simplement toute la case !
Étape 10 : Répondez aux questions de réflexion.
A. Certaines des densités énergétiques des aliments et des combustibles vous ont-elles surpris(e) ? Pourquoi ?
B. Comparez la manière de calculer la densité énergétique des aliments à celle des combustibles.
C. Pouvez-vous identifier un combustible et un aliment ayant tous deux une faible densité énergétique ?
D. Étudiez le graphique ci-dessous. Parmi le bois (biomasse traditionnelle), le charbon, le pétrole, le gaz naturel et l’uranium (nucléaire), l’énergie de quel combustible est la moins consommée à l’échelle mondiale ? Sa densité énergétique est-elle élevée ou faible ?
E. À l’aide du même graphique, identifiez le combustible dont l’énergie est la plus consommée à l’échelle mondiale. Sa densité énergétique est-elle élevée ou faible ?
F. Pouvez-vous penser à des exemples où la densité énergétique est importante dans votre vie quotidienne ?
Focus sur le gaz naturel
G. Comment la densité énergétique du gaz naturel se compare-t-elle à celle d’autres combustibles comme le charbon et le pétrole ? Quels sont certains avantages de l’utilisation du gaz naturel par rapport au charbon et au bois comme combustible ?
H. Le gaz naturel est souvent utilisé pour le chauffage des foyers et la cuisson. En quoi sa densité énergétique en fait-elle un bon choix pour ces usages ?
I. Si vous deviez concevoir un système énergétique pour une ville, y intégreriez-vous le gaz naturel ? Pourquoi ou pourquoi pas ?