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Lampe de poche alimentée par la chaleur de la main

Eric Mills et Parlons sciences
Lisibilité
7.17

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Ton corps peut-il être une source d’électricité? Explore le concept de transfert thermique grâce à un dispositif inventé en 2013 par une adolescente canadienne.

Imagine que tu es chez toi et qu’il y a une panne de courant. Tu es plongé dans le noir. Tu essaies d’allumer toutes les lampes de poche que tu trouves dans la maison, mais leurs piles sont déchargées! Ne serait-ce pas formidable d’avoir une lampe de poche que tu pourrais alimenter par la chaleur de ta main? 

Tu crois rêver? Eh bien non, c’est faisable! En 2013, une jeune scientifique canadienne a inventé cet objet fabuleux. Ann Makosinski avait 15 ans à l’époque! 

La chaleur du corps est une source d’énergie bien pratique. Alors, pourquoi ne s’en sert-on pas pour faire fonctionner une foule d’appareils? Après tout, c’est l’une des formes d’énergie les plus répandues. Malheureusement, il se trouve aussi qu’elle est très difficile à exploiter.

Qu’est-ce que l’énergie thermique?

La chaleur est une forme d’énergie associée au mouvement des atomes, des molécules et des autres particules. Tout ce qui a une température supérieure au zéro absolu (-273 °C) renferme de l’énergie. Et c’est le cas de pratiquement tout ce qui nous entoure! À mesure que la température augmente, les molécules se déplacent de plus en plus vite et produisent ainsi de l’énergie thermique. 

Le joule (J) est l’unité de mesure de la chaleur, mais on utilise parfois les calories (cal). Une calorie représente la quantité d’énergie nécessaire pour élever de 1 °C la température d’un gramme d’eau. L’énergie présente dans les aliments que tu manges se mesure en calories.

Les humains dégagent-ils de l’énergie thermique?

Les humains émettent (dégagent) environ 350 000 joules d’énergie thermique par heure. Cette énergie est un produit résiduaire de l’utilisation par notre corps des aliments que nous consommons. Un watt (1 W) équivaut à un joule par seconde (1 J/sec). Cela signifie que tu dégages presque assez d’énergie thermique pour alimenter une ampoule de 100 W qui resterait presque constamment allumée! 

Image thermique d’une main
Image thermique d’une main. (Source : Jarek Tuszyński [CC BY-SA 3.0] via <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermal_image_-_hand_-_1.jpg">Wikimedia Commons</a>).

 

En règle générale, la chaleur thermique que nous dégageons ne sert pas à grand-chose. Elle irradie simplement autour de nous. Mais imagine ce qui se passerait si nous pouvions capter cette énergie pour l’utiliser d’une façon quelconque. C’est ce qu’a fait Ann Makosinski en construisant une lampe de poche de sa conception alimentée par la chaleur de la main. 

Comment la chaleur est-elle transférée?

Pour simplifier, disons que la chaleur constitue un mode de transfert d’énergie entre un système et son environnement. Ce transfert se fait de trois façons : 

transferts de chaleur
L’eau en ébullition dans la bouilloire sur la cuisinière est un bon exemple du transfert thermique par conduction, convection et rayonnement (Parlons sciences à partir d’une image tirée d’inkoly via iStockphoto).

Qu’est-ce que la conduction?

La conduction est un mode de transfert thermique où la transmission de chaleur (flux thermique) se fait entre deux parties d’un matériau ou d’un objet ou encore entre deux matériaux ou objets qui sont en contact direct. 

L’énergie thermique des parties, des matériaux ou des objets chauds réchauffe les parties, les matériaux ou les objets froids avec lesquels ils entrent en contact. La température des deux parties, objets ou matériaux finira par être égale. L’énergie thermique circule toujours d’un corps chaud vers un corps plus froid.

Comment ce phénomène se produit-il? Les molécules qui se réchauffent vibrent (dans un mouvement de va-et-vient) plus rapidement. Cela signifie que les molécules à l’extrémité la plus chaude d’un objet vibrent plus rapidement que celles se trouvant à son extrémité la plus froide. Les molécules les plus rapides entrent en collision avec les plus lentes, ce qui amène ces dernières à vibrer plus rapidement et à se réchauffer.

Forgeron en train de marteler une pièce de métal chauffée
Forgeron en train de marteler une pièce de métal chauffée au rouge. (Source: <a href="https://pixabay.com/users/TiBine-238708/?utm_source=link-attribution&utm_medium=referral&utm_campaign=image&utm_content=411923">Sabine Schulte</a> via <a href="https://pixabay.com/photos/forge-blacksmith-hammer-iron-fire-411923/">Pixabay</a>).

As-tu déjà observé un forgeron au travail? Dans l’affirmative, tu l’as peut-être vu chauffer une tige de métal dans le feu. Sous l’effet de la conduction, l’énergie de l’extrémité chaude de la tige est transférée à son extrémité froide. Ce phénomène se poursuit jusqu’à ce que la température soit la même sur toute la longueur de la tige. On comprend pourquoi les forgerons portent des gants lorsqu’ils manipulent les tiges de métal! 

Le savais-tu? 

Les chefs cuisiniers préfèrent les cuillères de bois parce qu’elles ne sont pas conductrices de chaleur. Comme elles ne se réchauffent pas trop rapidement, ces cuillères ne leur brûlent pas les mains. 

Qu’est-ce que la puissance thermique?

On appelle « puissance thermique » la capacité d’un objet à produire de l’électricité à partir d’un flux thermique. Le courant électrique circule lorsque les électrons se déplacent dans une direction en traversant un conducteur. La plupart des métaux sont de bons conducteurs. Lorsqu’un conducteur se réchauffe, ses électrons commencent à se déplacer plus rapidement et à se disperser. Ils entrent alors en collision avec les électrons lents dans la partie froide du conducteur, si bien que ces derniers se réchauffent et se déplacent plus rapidement. Par conséquent, si l’on chauffe une extrémité d’un conducteur, les électrons finiront par transférer leur énergie dans l’ensemble du conducteur, de l’extrémité chaude à l’extrémité froide, ce qui produit un courant électrique. 

Le savais-tu? 

L’effet de la puissance thermique a été découvert en 1821, mais il a fallu attendre 1897 pour que l’on découvre les électrons. Et ce n’est qu’au milieu du 20e siècle que l’on a pleinement compris cet effet.

Comment Ann Makosinski a-t-elle fabriqué sa lampe de poche alimentée par la chaleur de la main?

Une lampe presque magique (2014) par FUTUREMAG - ARTE (12 min 03 sec).

Un circuit de conception ingénieuse maintient les électrons en mouvement aussi longtemps qu’il y a un flux thermique. Pour sa lampe de poche, l’inventrice a utilisé un dispositif appelé « tuile Peltier » afin de convertir le flux thermique en électricité. Cette tuile tire parti de l’effet Peltier.

La tuile Peltier se compose de deux tuiles de céramique superposées entre lesquelles sont disposés de petits morceaux de conducteur. C’est le principe du sandwich : les tuiles de céramique sont comme les deux tranches de pain, tandis que le conducteur est comme la viande entre les deux. Lorsqu’un côté de la tuile Peltier se réchauffe et que l’autre se refroidit, il y a production d’un courant électrique.

Le savais-tu? 

La plupart des refroidisseurs d’eau renferment des tuiles Peltier. 

Composants d’une tuile Peltier
Composants d’une tuile Peltier, entre autres les tuiles de céramique, les conducteurs et les connexions électriques (© 2019 Parlons sciences).

Ann Makosinski a aussi eu recours à un transformateur pour augmenter la tension et à des ampoules DEL très efficaces pour exploiter au maximum le peu d’électricité qu’elle pouvait produire au moyen de la tuile Peltier.

Pourrais-tu utiliser la chaleur de ton corps pour alimenter tes appareils électroniques? 

Tu ne pourrais pas produire beaucoup d’électricité en exploitant le flux thermique qui transite de ton corps à l’air environnant. Mais ce serait suffisant pour alimenter un téléphone cellulaire ou divers types d’appareils électroniques portables. N’aimerais-tu pas vivre dans un monde où tu n’aurais plus jamais à recharger ton téléphone?

Le savais-tu? 

La dernière invention d’Ann Makosinski est une tasse appelée « eDrink » qui capte l’énergie thermique excédentaire d’une boisson chaude et la convertit en source d’énergie utilisable pour recharger un téléphone cellulaire! 

POINTS DE DÉPART

Connecter et Relier

  • As-tu déjà eu l’impression que ton corps dégageait beaucoup de chaleur? Quand as-tu éprouvé cette sensation? 
  • Achèterais-tu une lampe de poche alimentée par la chaleur de la main? Quels éléments t’aideraient à prendre une décision?
     

Connecter et Relier

  • As-tu déjà eu l’impression que ton corps dégageait beaucoup de chaleur? Quand as-tu éprouvé cette sensation? 
  • Achèterais-tu une lampe de poche alimentée par la chaleur de la main? Quels éléments t’aideraient à prendre une décision?
     

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

  • Quelle incidence un appareil alimenté par la chaleur du corps pourrait-il avoir sur l’environnement en ce qui a trait à la consommation et aux déchets?
  • Pourrais-tu citer d’autres technologies qui tirent parti des tuiles Peltier? (Remarque : Il te faudra peut-être faire une recherche supplémentaire pour répondre à cette question.)
     

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

  • Quelle incidence un appareil alimenté par la chaleur du corps pourrait-il avoir sur l’environnement en ce qui a trait à la consommation et aux déchets?
  • Pourrais-tu citer d’autres technologies qui tirent parti des tuiles Peltier? (Remarque : Il te faudra peut-être faire une recherche supplémentaire pour répondre à cette question.)
     

Explorer les Concepts

  • Comment fonctionne la lampe de poche alimentée par la chaleur de la main? 
  • Quels sont les modes de transfert thermique? Définis chacun d’eux. (Remarque : Il te faudra peut-être faire une recherche supplémentaire pour répondre à cette question.)
  • En quoi une lampe de poche alimentée par la chaleur de la main diffère-t-elle d’une lampe de poche à alimentation mécanique? Quels aspects de leur conception sont similaires et lesquels sont différents? 
     

Explorer les Concepts

  • Comment fonctionne la lampe de poche alimentée par la chaleur de la main? 
  • Quels sont les modes de transfert thermique? Définis chacun d’eux. (Remarque : Il te faudra peut-être faire une recherche supplémentaire pour répondre à cette question.)
  • En quoi une lampe de poche alimentée par la chaleur de la main diffère-t-elle d’une lampe de poche à alimentation mécanique? Quels aspects de leur conception sont similaires et lesquels sont différents? 
     

Nature de la Science / Nature de la Technologie

  • L’invention d’une lampe de poche alimentée par la chaleur de la main est un excellent exemple illustrant la convergence de la science et de la technologie. En te reportant à l’article, explique la relation entre la science et la technologie. 
  • Si tu devais inventer un appareil alimenté par la chaleur du corps, ce serait quoi?
     

Nature de la Science / Nature de la Technologie

  • L’invention d’une lampe de poche alimentée par la chaleur de la main est un excellent exemple illustrant la convergence de la science et de la technologie. En te reportant à l’article, explique la relation entre la science et la technologie. 
  • Si tu devais inventer un appareil alimenté par la chaleur du corps, ce serait quoi?
     

Littératie Médiatique

  • Comment les médias parlent-ils des technologies comme celle de la lampe de poche alimentée par la chaleur de la main?
  • Les médias exagèrent-ils les capacités potentielles ou réelles des nouvelles technologies? Explique ta réponse en citant des exemples.
     

Littératie Médiatique

  • Comment les médias parlent-ils des technologies comme celle de la lampe de poche alimentée par la chaleur de la main?
  • Les médias exagèrent-ils les capacités potentielles ou réelles des nouvelles technologies? Explique ta réponse en citant des exemples.
     

Suggestions d'enseignement

  • L’article peut servir pour l’enseignement et l’apprentissage de la chimie, du génie, de la technologie, des mathématiques, de la physique et des sciences de la nature, particulièrement en ce qui a trait à la production d’électricité, aux technologies électriques et au transfert thermique. Il introduit les concepts de chaleur, d’énergie, de source d’énergie, de zéro absolu, de transfert thermique, de conduction, de puissance thermique, de conducteur, de courant électrique et de tuile Peltier.
  • Après avoir lu l’article, les élèves peuvent réfléchir aux avantages et aux inconvénients d’utiliser une lampe de poche alimentée par la chaleur de la main en remplacement d’un modèle à piles. Il est possible télécharger les fiches reproductibles prêtes à utiliser faisant appel à la stratégie d’apprentissage axée sur un organisateur du pour et du contre pour cet article en format [Google doc] et [.pdf].  
  • Les élèves peuvent aussi examiner les coûts et les avantages associés à l’alimentation par la chaleur du corps en remplacement des piles classiques. Il est possible de télécharger les fiches reproductibles de l’analyse coûts-avantages pour cet article en format [Google doc] et [.pdf].
  • Afin de consolider les connaissances acquises, les élèves peuvent remplir un billet de sortie. Il est possible de télécharger les fiches reproductibles faisant appel à la stratégie d’apprentissage axée sur le billet de sortie pour cet article en format [Google doc] et [.pdf].

Suggestions d'enseignement

  • L’article peut servir pour l’enseignement et l’apprentissage de la chimie, du génie, de la technologie, des mathématiques, de la physique et des sciences de la nature, particulièrement en ce qui a trait à la production d’électricité, aux technologies électriques et au transfert thermique. Il introduit les concepts de chaleur, d’énergie, de source d’énergie, de zéro absolu, de transfert thermique, de conduction, de puissance thermique, de conducteur, de courant électrique et de tuile Peltier.
  • Après avoir lu l’article, les élèves peuvent réfléchir aux avantages et aux inconvénients d’utiliser une lampe de poche alimentée par la chaleur de la main en remplacement d’un modèle à piles. Il est possible télécharger les fiches reproductibles prêtes à utiliser faisant appel à la stratégie d’apprentissage axée sur un organisateur du pour et du contre pour cet article en format [Google doc] et [.pdf].  
  • Les élèves peuvent aussi examiner les coûts et les avantages associés à l’alimentation par la chaleur du corps en remplacement des piles classiques. Il est possible de télécharger les fiches reproductibles de l’analyse coûts-avantages pour cet article en format [Google doc] et [.pdf].
  • Afin de consolider les connaissances acquises, les élèves peuvent remplir un billet de sortie. Il est possible de télécharger les fiches reproductibles faisant appel à la stratégie d’apprentissage axée sur le billet de sortie pour cet article en format [Google doc] et [.pdf].

En savoir plus

Produire du froid avec l’électronique : comment fonctionne un module Peltier ? (2018) Couleur Science - explique à l'aide de schémas à la fois des circuits impliqués et des structures atomiques utilisées

Les trois différents modes de transfert thermique - Superprof ressources - comprend des définitions, des exemples et des faits historiques relatifs à chacun

Références

Ashcroft, N., & Mermin, D. (1976). Solid state physics. Holt, Rinehart and Winston.

Johnson-Silvers, J. (2016). eDrink mug and hollow flashlight: Alumna Ann Makosinski’s new inventions. Society for Science & the Public.

Knight, R. (2017). Physics for scientists and engineers: A strategic approach (4th ed.). Pearson.

Ogin, G. (n.d.) How much heat per hour do humans dissipate? PhysLink.com.