Comment fonctionne une lampe à lave?

Genie Leung et Parlons sciences
Lisibilité
4.4

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Les lampes à lave sont très intéressantes à regarder. Mais ce sont aussi des exemples intéressants de flottabilité, de transfert de chaleur et de solubilité!

À quoi penses-tu quand tu entends le terme « être dans le vent »? À des pantalons à pattes d’éléphant? À des fleurs? Et peut-être aux lampes à lave?

Les lampes à lave étaient très populaires dans les années 1960! De nombreuses personnes en possèdent encore une.

La plupart des lampes servent à éclairer une pièce. Mais les lampes à lave sont surtout amusantes à regarder. Elles contiennent des bulles de cire colorées qui flottent dans un liquide transparent.

Le savais-tu? 

C’est Edward Craven-Walker qui a conçu la lampe à lave. Il s’est inspiré d’un minuteur à œufs qu’il a vu dans une annonce! Ce minuteur contenait une boule de cire en suspension dans l’eau. Lorsque la cire avait fondu, l’œuf était prêt à manger.

Les lampes à lave sont aussi une façon « géniale » de voir en action les principes de physique et de chimie.

Les trois états de la matière
Les trois états de la matière sont les solides, les liquides et les gaz (© 2019 Parlons sciences).

Qu’est-ce que la théorie cinétique moléculaire? 

Pour comprendre le fonctionnement des lampes à lave, tu dois comprendre la théorie cinétique moléculaire. Celle-ci stipule que toute la matière est composée de molécules continuellement en mouvement. Ces molécules possèdent une énergie cinétique. La quantité d’énergie dépend de la température. Quand il fait plus chaud, les molécules ont plus d’énergie. Et lorsqu’elles ont plus d’énergie, elles bougent plus rapidement. On dénombre trois états de la matière les plus courants.

Les molécules des solides possèdent le moins d’énergie. Cela veut dire qu’elles se déplacent plus lentement que les molécules des liquides et des gaz. Les molécules des gaz sont celles qui possèdent le plus d’énergie. C’est elles qui bougent le plus rapidement.

Comment l’énergie cinétique est-elle reliée à la densité?

La théorie cinétique moléculaire peut t’aider à comprendre la densité. La densité fait référence à la quantité de matière présente dans un volume d’espace donné.
As-tu déjà lancé une pièce de monnaie dans une fontaine ou un caillou dans un étang? Tu as probablement remarqué que ces objets coulent dans l’eau. Et tu as sans doute remarqué que d’autres objets, comme des brindilles, flottent sur l’eau. Les objets plus denses que l’eau coulent. Et les objets moins denses que l’eau flottent.

Mais quel est le rapport avec les lampes à lave? Te rappelles-tu des bulles qui flottent? À la température de la pièce, les bulles sont un peu plus denses que le liquide les entourant. C’est pourquoi elles demeurent au fond de la lampe. Mais lorsque tu allumes la lampe, les bulles réchauffent. Les molécules se déplacent plus vite. Les bulles deviennent moins denses que le liquide les entourant. Elles montent et commencer à flotter!

Le savais-tu? 

Les montgolfières fonctionnent de la même manière que les bulles des lampes à lave.

Lait au chocolat à gauche et vinaigrette à droite
Lait au chocolat à gauche et vinaigrette à droite (Sources : Mae Mu parUnsplash et wwing par iStockphoto).

De quelle façon la capacité de se mélanger a-t-elle une incidence sur le fonctionnement de la lampe à lave? 

Pourquoi les bulles de cire dans la lampe à lave ne se mélangent-elles pas avec le liquide les entourant?

Pense au sirop de chocolat et au lait. Ce sont des liquides miscibles. Cela veut dire qu’ils peuvent se mélanger pour former un mélange homogène. Le sirop de chocolat se dissout complètement dans le lait pour donner un délicieux lait au chocolat!

Mais certains liquides sont immiscibles. Ils ne se mélangent pas. Cela dépend entièrement de la force d’attraction entre les molécules des deux liquides.
Par exemple, que se passe-t-il lorsque tu essaies de mélanger de l’huile et du vinaigre, comme dans une vinaigrette? Les molécules du vinaigre sont plus attirées entre elles qu’aux molécules de l’huile. Et les molécules de l’huile sont plus attirées entre elles qu’aux molécules du vinaigre. Peu importe la vigueur avec laquelle tu remues ta vinaigrette, les deux liquides ne restent jamais mélangés.

Mais les molécules du sirop de chocolat sont attirées par les molécules du lait. Et les molécules du lait sont attirées par les molécules du sirop de chocolat. C’est ce qui explique pourquoi tu obtiens un lait au chocolat et non une lampe à la lave dans un verre!

Chaque liquide immiscible est appelé une phase. Un mélange comportant deux liquides immiscibles est appelé un mélange biphasique. Un mélange comportant plus de deux liquides immiscibles est appelé un mélange multiphasique.

Lorsque tu observes les bulles flotter dans une lampe à lave, tu regardes un mélange biphasique!

Le savais-tu? 

Les bulles dans une lampe à lave sont faites de cire de paraffine. C’est le même type de cire qui est utilisé dans nombre de bougies et de crayons! 

Pourquoi les bulles à l’intérieur d’une lampe à lave se déplacent-elles? 

Une des caractéristiques les plus intéressantes d’une lampe à lave est la façon dont les bulles se déplacent. Pourquoi cela se produit-il? Tu sais que les bulles sont moins denses que le liquide les entourant. Tu sais aussi que les bulles et le liquide sont immiscibles. Pourquoi donc les bulles ne montent-elles pas tout simplement au sommet de la lampe et n’y restent pas?

Eh bien, les lampes à lave sont conçues de manière à ce que la température en haut soit légèrement plus fraîche qu’en bas. Et qu’est-ce qui se produit lorsque les molécules refroidissent? C’est exact. Elles perdent leur énergie et se rapprochent. Ainsi, lorsqu’une bulle atteint le sommet de la lampe à lave, elle se contracte. Elle devient plus dense que le liquide environnant et commence à couler. Lorsqu’elle atteint le fond, le cycle recommence!

Une lampe à lave est un exemple de courant de convection. Les courants de convection font monter et descendre les liquides et les gaz en raison des variations de leur densité. Il y a des courants de convection partout autour de toi, même dans la croûte terrestre!

Lorsque l’ampoule réchauffe les bulles, celles-ci s’élèvent jusqu’au sommet de la lampe, puis refroidissent et coulent
Lorsque l’ampoule réchauffe les bulles, celles-ci s’élèvent jusqu’au sommet de la lampe, puis refroidissent et coulent. Puis, le processus recommence (Parlons sciences, utilisation d’une image de Saltmiser [CC BY-SA 3.0] par Wikimedia Commons).

 

Veux-tu tenter une expérience avec une lampe à lave? 

Tu peux fabriquer ta propre lampe à lave dans ta classe ou à la maison! Voici ce qu’il te faut :

  • Un contenant transparent, comme une bouteille d’eau ou de boisson gazeuse vide
  • De l’eau
  • De l’huile végétale
  • Du colorant alimentaire
  • Un comprimé effervescent (de type Alka-Seltzer®)
  • Une lampe de poche (facultatif)
     

Comment fabriquer une lampe à lave :

  1. Remplis un quart de la bouteille avec de l’eau
  2. Ajoute du colorant alimentaire
  3. Remplis le reste de la bouteille avec de l’huile végétale
  4. Ajoute le comprimé effervescent
  5. Facultatif : si tu as une lampe de poche, va dans une pièce sombre, allume la lampe de poche et observe ta super nouvelle lampe dans le noir!

 Et voilà! Tu as ta propre lampe à lave. Regarde ce qui arrive à ces liquides immiscibles. Plutôt génial, tu ne trouves pas?

Points de départ

Connecter et Relier

  • As-tu déjà eu l’occasion d’observer une lampe à lave? Qu’en as-tu pensé?
  • Aimerais-tu posséder ta propre lampe à lave? Pourquoi, ou pourquoi pas?
  • Peux-tu penser à des mélanges que tu as vus qui contiennent des bulles? Y a-t-il quelque chose que tu as essayé de mélanger qui a des couches distinctes?

Connecter et Relier

  • As-tu déjà eu l’occasion d’observer une lampe à lave? Qu’en as-tu pensé?
  • Aimerais-tu posséder ta propre lampe à lave? Pourquoi, ou pourquoi pas?
  • Peux-tu penser à des mélanges que tu as vus qui contiennent des bulles? Y a-t-il quelque chose que tu as essayé de mélanger qui a des couches distinctes?

Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement

  • Donne des exemples de courants de convection dans le milieu naturel.
  • Tu as peut-être vu le mot « homogénéisé » sur un litre de lait ou un pot de beurre d’arachides. Qu’est-ce que ça signifie? Pourquoi les fabricants alimentaires font-ils cela? 

Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement

  • Donne des exemples de courants de convection dans le milieu naturel.
  • Tu as peut-être vu le mot « homogénéisé » sur un litre de lait ou un pot de beurre d’arachides. Qu’est-ce que ça signifie? Pourquoi les fabricants alimentaires font-ils cela? 

Explorer les Concepts

  • Qu’est-ce que l’énergie cinétique? Comment l’énergie cinétique modifie-t-elle la matière?
  • Comment la théorie cinétique moléculaire explique-t-elle les variations de densité de la matière? 
  • Comment la théorie cinétique moléculaire explique-t-elle ce qui arrive à l’eau lorsqu’elle passe de glace solide à eau liquide, puis à vapeur d’eau?
  • Comment se forment les courants de convection dans une lampe à lave? Comment se forment les courants de convection sous la croûte terrestre?

Explorer les Concepts

  • Qu’est-ce que l’énergie cinétique? Comment l’énergie cinétique modifie-t-elle la matière?
  • Comment la théorie cinétique moléculaire explique-t-elle les variations de densité de la matière? 
  • Comment la théorie cinétique moléculaire explique-t-elle ce qui arrive à l’eau lorsqu’elle passe de glace solide à eau liquide, puis à vapeur d’eau?
  • Comment se forment les courants de convection dans une lampe à lave? Comment se forment les courants de convection sous la croûte terrestre?

Nature de la Science / Nature de la Technologie

  • Dans quels domaines de la science et de la technologie serait-il utile de comprendre la théorie cinétique moléculaire?

Nature de la Science / Nature de la Technologie

  • Dans quels domaines de la science et de la technologie serait-il utile de comprendre la théorie cinétique moléculaire?

Littératie Médiatique

  • Comment commercialiserais-tu une lampe à lave auprès des enfants afin qu’elle soit à la fois « cool » et éducative? Quel message fournirais-tu au sujet du produit pour que les enfants aient envie d’en acheter une?

Littératie Médiatique

  • Comment commercialiserais-tu une lampe à lave auprès des enfants afin qu’elle soit à la fois « cool » et éducative? Quel message fournirais-tu au sujet du produit pour que les enfants aient envie d’en acheter une?

Suggestions d'enseignement

  • Cet article appuie l’enseignement et l’apprentissage des sciences, de la chimie, de la physique, de la chaleur et de l’énergie liées à la flottabilité, aux fluides, au transfert de chaleur, aux mélanges et aux solutions. Les concepts introduits sont les suivants : bulles, théorie cinétique moléculaire, énergie cinétique, solides, liquides, gaz, densité, miscible, mélange homogène, immiscible, phase, mélange biphasique, mélange multiphasique, se contracter et courant de convection.
  • Avant de lire cet article, les enseignants pourraient demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Aperçu du vocabulaire afin qu’ils accèdent à des connaissances antérieures et acquièrent une nouvelle terminologie. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi pour cet article sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Pour renforcer la compréhension après la lecture de l’article, les enseignants pourraient demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Toile de définition du concept pour la théorie cinétique moléculaire. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi pour cet article sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Pour renforcer la compréhension des différents types de mélanges, les enseignants pourraient demander aux élèves de créer un organisateur graphique, comme un tableau en deux volets, pour comparer les mélanges hétérogènes et homogènes.
  • Pour explorer davantage les mélanges miscibles et immiscibles, les enseignants pourraient demander aux élèves de faire l’activité pratique Que se passe-t-il lorsque nous mélangeons des liquides? (Essayer cette activité.)
  • Diverses applications de mélanges pourraient être utilisées pour réaliser des projets artistiques interdisciplinaires. Par exemple, la technique de grattage et le marbrage du papier.

Suggestions d'enseignement

  • Cet article appuie l’enseignement et l’apprentissage des sciences, de la chimie, de la physique, de la chaleur et de l’énergie liées à la flottabilité, aux fluides, au transfert de chaleur, aux mélanges et aux solutions. Les concepts introduits sont les suivants : bulles, théorie cinétique moléculaire, énergie cinétique, solides, liquides, gaz, densité, miscible, mélange homogène, immiscible, phase, mélange biphasique, mélange multiphasique, se contracter et courant de convection.
  • Avant de lire cet article, les enseignants pourraient demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Aperçu du vocabulaire afin qu’ils accèdent à des connaissances antérieures et acquièrent une nouvelle terminologie. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi pour cet article sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Pour renforcer la compréhension après la lecture de l’article, les enseignants pourraient demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Toile de définition du concept pour la théorie cinétique moléculaire. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi pour cet article sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Pour renforcer la compréhension des différents types de mélanges, les enseignants pourraient demander aux élèves de créer un organisateur graphique, comme un tableau en deux volets, pour comparer les mélanges hétérogènes et homogènes.
  • Pour explorer davantage les mélanges miscibles et immiscibles, les enseignants pourraient demander aux élèves de faire l’activité pratique Que se passe-t-il lorsque nous mélangeons des liquides? (Essayer cette activité.)
  • Diverses applications de mélanges pourraient être utilisées pour réaliser des projets artistiques interdisciplinaires. Par exemple, la technique de grattage et le marbrage du papier.

En savoir plus

Les mélanges Alloprof -- décrit cinq types différents de mélange. La page Web comprend une vidéo de YouTube (4 min 03 sec)

Pourquoi l’huile et l’eau ne se mélangent-elles pas? Parlons Sciences activité pratique

Qu’est-ce que l’immiscibilité? Parlons Sciences activité pratique

Références

Lumen Learning. (n.d.). Kinetic Molecular Theory of Matter. https://courses.lumenlearning.com/boundless-chemistry/chapter/kinetic-molecular-theory-of-matter/

Maggie's Science Connection. (n.d.). How a lava lamp works. http://maggiesscienceconnection.weebly.com/mantle-convection.html

McVean, A. (2018, July 19). The Luminescent Chemistry of Lava Lamps. https://www.mcgill.ca/oss/article/did-you-know/luminescent-chemistry-lava-lamps

Scamarca Productions. (2016, May 24)The Kinetic Molecular Theory (Animation). https://www.youtube.com/watch?v=1Jtw8g795Us[10]