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RéalisationAssociation québécoise pour la maîtrise de l’énergie (AQME)Sous la direction de Marie-France Courtemanche-Bell, AQME

Comité de conceptionNancy Brouillette, conseillère pédagogique en science et technologie, Commission scolaire de l’Énergie (CSDE)Josée Croisetière, enseignante en chimie, école secondaire Champagnat, CSDEIsabelle Lesieur, enseignante en chimie, école secondaire des Chutes, CSDE

Comité de validation pédagogiqueAnnie Grandmont, conseillère pédagogique en science et technologie, Commission scolaire du Chemin-du-RoyJoanne Latourelle, conseillère pédagogique en science et technologie, Commission scolaire de la CapitaleJulie Robidoux, conseillère pédagogique en mathématique, science et technologie, Commission scolaire des ChênesGhislain Samson, M. Sc., Ph. D., professeur-chercheur, Département des sciences de l’éducation, Université du Québec à Trois-Rivières Érick Sauvé, conseiller pédagogique en science et technologie, Commission scolaire de LavalPascal Vaillancourt, conseiller pédagogique en mathématique, science et technologie, Commission scolaire des Hautes-RivièresHuguette Vanlandeghem, conseillère pédagogique en science et technologie, Commission scolaire Marguerite-Bourgeoys

Comité de validation scientifiqueMarc Gosselin, ingénieur, vice-président, FixairAlain Lavallée, frigoriste, président, Alain Lavallée RéfrigérationMartin Lepage, chargé de projet et animateur, Centre de démonstration en sciences, Collège LaflècheDenis Lévesque, technologue professionnel, coordonnateur et professeur, Département de technologie de la mécanique du bâtiment, Cégep de RimouskiMichel Poirier, Ph. D., ingénieur, Ressources naturelles Canada (CanmetÉNERGIE) Hubert Lavallée, ingénieur et directeur général, Systèmes Énergie TST inc.

Révision linguistiquePlein de sens

Graphisme Illustrations PhotographiesMarie-Ève Poirier, AQME Jean-Michel Poirier, AQME Gracieuseté de Sobeys Québec Inc.Jean-Michel Poirier, AQME François Escalmel (Icônes) (Couverture : groupe compresseur,(Idée originale : Line Jutras Design) condenseur et comptoir médium)

© Association québécoise pour la maîtrise de l’énergie, 2010Dépôt légal : 2010ISBN 978-2-923772-10-3ISBN 978-2-923772-11-0 (PDF)Imprimé au Canada

La reproduction, l’adaptation, la traduction ou la diffusion d’une partie ou de la totalité du Guide de l’enseignantde la situation d’apprentissage et d’évaluation Une chimie rafraîchissante ! du projet Génergie sont autoriséesen contexte scolaire uniquement. La source doit toujours être clairement indiquée. Pour obtenir l'autorisationd’utiliser le matériel Génergie à d’autres fins éducatives, veuillez communiquer avec l’Association québécoisepour la maîtrise de l’énergie (AQME).

Utilisée dans ce guide sans aucune discrimination, la forme masculine ne vise qu’à alléger le texte.

Imprimé sur du papier Rolland Enviro100 contenant 100 % de fibres postconsommation.

Remerciements

L’Association québécoise pour la maîtrise de l’énergie (AQME) tient à mentionner la généreuse contribution duministère du Développement économique, de l’Innovation et de l’Exportation du gouvernement du Québec,principal partenaire financier dans la réalisation du projet Génergie.

Génergie a bénéficié, cette année, du soutien financier de Cascades et de la Commission de la construction duQuébec. Ces entreprises ont su voir en ce projet une belle occasion de contribuer au soutien de la relève et destimuler la curiosité et l’intérêt des élèves et de plusieurs intervenants du milieu scolaire pour les questionsénergétiques. L’AQME souhaite les en remercier.

L’AQME désire aussi souligner la grande collaboration des experts scientifiques qui ont accepté de partagerleur expertise. Leur précieuse collaboration a permis d’offrir un contenu riche et diversifié, ajoutant ainsi uneplus-value à cette situation d’apprentissage et d’évaluation.

L’AQME souhaite également exprimer sa gratitude envers tous les enseignants, professeurs et conseillers pédagogiques qui ont aidé à concevoir et à valider cette situation d’apprentissage et d’évaluation. L’AQME désire souligner plus particulièrement la collaboration de la Commission scolaire de l’Énergie, qui a soutenusans restriction le travail de ses enseignants et de sa conseillère pédagogique en science et technologie.

Finalement, l’AQME remercie très chaleureusement les membres du comité de travail qui ont su orienter le développement global du projet Génergie en offrant leurs conseils et en favorisant le rayonnement du projetdans leur réseau respectif.

01

Organismes collaborateurs

Principal partenaire financier Grands partenaires

Légende

02 Travail en équipe

Travail en groupe-classe

Travail individuelI

G

E

Un peu d’histoire

En bref

Principes scientifiques etprocédés technologiques

Avantages et inconvénients

Vues sur le monde

Documents à photocopierpour les élèves

Lecture, recherche et collecte de données

Réflexion

Discussion et exposé oral

Expérience

Les métiers et carrièresen énergie

Table des matières

Remerciements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Légende . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

À propos de l’AQME. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Portrait de la SAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Synthèse des apprentissages ciblés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Méthodes d’évaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Avant de débuter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Préparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Réalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Intégration et réinvestissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Mot de la fin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

ANNEXES

Annexe 1 : Canevas de planification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Annexe 2 : Complément d’information pour l’enseignant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Annexe 3 : Symboles des unités de mesure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

03

À propos de l’AQME

L’Association québécoise pour la maîtrise de l’énergie (AQME) est une association multisectorielle qui rassemble les fournisseurs, les professionnels, les producteurs, les consommateurs et les distributeurs du milieu de l’énergie.

Au service de ses membres depuis 1985, l’AQME a fait des enjeux d’efficacité énergétique son cheval de bataille et est devenue une référence incontournable dans le domaine. Organisme sans but lucratif, neutre et indépendant, l’Association travaille à structurer l’industrie en promouvant l’acquisition, le développement et le partage de connaissances en maîtrise de l’énergie par le biais d’activités et de services adaptés aux besoins des intervenants du milieu.

Présentation de GénergieLe projet Génergie s’inscrit dans la volonté de l’AQME d’éveiller la jeunesse aux enjeux énergétiques actuels et futurs. Par la conception et la production d’outils et de services éducatifs présentant divers aspects reliés àla maîtrise de l’énergie, l’AQME contribue à la mise en place de mesures favorisant l’épanouissement d’unerelève nombreuse et compétente en énergie. En créant un lien concret et dynamique entre le milieu scolaire et le milieu professionnel de l’énergie, l’AQME offre aux jeunes une occasion de poser un regard différent sur ce domaine en pleine effervescence.

Objectifs généraux• Stimuler l’intérêt des jeunes du secondaire et du collégial pour le domaine de l’énergie;

• Faciliter la compréhension des enjeux énergétiques;

• Promouvoir les métiers et les carrières en énergie;

• Dynamiser les relations entre le milieu scolaire et celui de l’industrie de l’énergie;

• Contribuer à l’enrichissement de la culture scientifique et technologique des enseignants et de leurs élèves.

Questions et commentairesPour télécharger gratuitement le matériel éducatif de Génergie ou pour en connaître davantage sur ce projet etl’AQME, nous vous invitons à consulter la page Internet suivante : www.aqme.org/genergie ou à communiqueravec nous.

Association québécoise pour la maîtrise de l’énergie255, boulevard Crémazie Est, bureau 750Montréal (Québec) H2M 1L5Tél. : 514 866-5584Téléc. : 514 [email protected] 04

Portrait de la SAE

Cette situation d’apprentissage et d’évaluation (SAE) a été conçue pour s’intégrer au cours de chimie de la troisième année du deuxième cycle du secondaire. Elle favorise l’acquisition et la structuration de plusieursconcepts prescrits en chimie dans le Programme de formation de l’école québécoise (PFEQ), en utilisantcomme objet d’étude diverses applications scientifiques et technologiques liées à l’industrie de la réfrigération.

Cette SAE présente, par ailleurs, différentes facettes du domaine général de formation Environnement etconsommation. Son approche, essentiellement qualitative, met en relation différents aspects scientifiques et techniques dans le but d’améliorer, chez les élèves, la compréhension des impacts sociaux, économiques et environnementaux de l’industrie de la réfrigération. Elle favorise aussi la poursuite du développement de plusieurs compétences dans différents domaines d’apprentissage, notamment en français pour la rédaction de textes et en développement professionnel par le biais des principes de l’approche orientante.

La démarche qui sous-tend cette SAE en est une d’analyse. Plus précisément, elle donne l’occasion aux élèves de poursuivre le développement de leurs compétences disciplinaires et transversales par l’analyse dessystèmes de réfrigération, des impacts de certains gaz frigorigènes et de l’avancement technologique réalisédans l’industrie de la réfrigération. Des outils d’évaluation par compétence ont d’ailleurs été créés et sont offerts à la fin du Cahier de l’élève.

Les diverses méthodes d’enseignement proposées dans le cadre de cette SAE (ex. : activité graffitis, discussions engroupe-classe, travail en équipe) permettent aux élèves de valider de plusieurs façons leur apprentissage. Enfin, cetteSAE sensibilise les élèves à l’importance de faire attention à l’emploi qu’ils font du froid dans leur vie quotidienne.

Un canevas de planification de la SAE est présenté à l’annexe 1 du présent document.

Intention pédagogiquePar l’entremise du domaine de la réfrigération, amener les élèves à approfondir leurs connaissances des gaz et à développer leur regard critique quant à l’évolution de l’industrie de la réfrigération.

Objectifs spécifiquesCette SAE permet aux élèves de comprendre le transfert d’énergie (chaleur), d’étudier les différentes lois des gazet d’approfondir leur compréhension des phénomènes de changement de phase et du mouvement moléculaire.Elle leur fait aussi découvrir le fonctionnement d’un système réfrigérant.

De plus, par la découverte des différents gaz utilisés en réfrigération, les élèves apprennent à réfléchir sur lesimpacts à moyen et à long terme des substances chimiques dégagées dans l’atmosphère et sur les moyens à prendre pour réduire les effets négatifs de ces gaz sur l’environnement.

Finalement, à travers la réalisation de la tâche complexe, les élèves accroîtront leur capacité à travailler enéquipe. Ils pourront aussi explorer les métiers et les carrières reliés au domaine de la réfrigération.

Durée prévueCinq à six périodes de 75 minutes en salle de classe et quelques périodes de devoirs à la maison.

Les indications de temps ne sont données qu’à titre de suggestion. Il est aussi recommandé de réaliser cetteSAE au cours de la seconde partie de l’année scolaire, car les élèves auront alors acquis certaines notions debase en chimie. Finalement, cette SAE implique un important travail d’équipe, ce qui requiert plus de temps, mais s’avère bien plus enrichissant que le travail individuel.

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Synthèse des apprentissages ciblés

Domaine général de formation (DGF) : Environnement et consommation

Intention éducative : « Amener l’élève à entretenir un rapport dynamique avec son milieu, tout en gardant une distance critique à l’égard de la consommation et de l’exploitation de l’environnement. » (Gouvernementdu Québec, 2007, p. 9)

Axe de développement : Construction d’un environnement sain dans une perspective de développement durable.

Compétences disciplinaires• Compétence 2 : Mettre à profit ses connaissances en chimie

• Compétence 3 : Communiquer sur des questions de chimie à l’aide des langages utilisés en science et en technologie

Compétence transversale• Compétence : Se donner des méthodes de travail efficaces

Concepts préalables • Pression, volume, température (1er cycle)

• États de la matière (1er cycle)

• Formes d’énergie (1re année du 2e cycle)

• Réactions endothermique et exothermique (2e année du 2e cycle)

• Organisation de la matière (2e année du 2e cycle)

Concepts prescrits de chimie

Stratégies d’exploration• Inventorier le plus grand nombre possible d’informations scientifiques et contextuelles éventuellement

utiles pour cerner un problème ou prévoir des tendances

• Explorer diverses pistes de solutions

• Envisager divers points de vue liés aux problématiques scientifiques

Stratégies d’analyse• Déterminer les contraintes et les éléments importants pour la résolution d’un problème

• Faire appel à divers modes de raisonnement (ex. : inférer, induire, déduire, comparer, classifier, sérier)pour traiter des informations

• Raisonner par analogie pour traiter des informations et adapter ses connaissances scientifiques

Gaz

• Propriétés chimiques des gaz- Réactivité

• Propriétés physiques des gaz- Théorie cinétique des gaz- Loi générale des gaz - Loi des gaz parfaits

Vitesse de réaction• Facteurs qui influencent la vitesse de réaction

- Nature des réactifs- Catalyseur

Aspect énergétique• Variation d’enthalpie (formation générale appliquée)

06

07

Attitudes intellectuelles• Curiosité

• Rigueur

• Sens du travail méthodique

Attitudes comportementales• Autonomie

• Souci d’efficacité

• Coopération efficace

Repères culturels• Déplétion de la couche d’ozone

• Gaz à effet de serre (GES)

• Gaz frigorigènes (CFC, HCFC, HFC, etc.)

• Industrie de la réfrigération

• Protocole de Kyoto, protocole de Montréal

• Jacob Perkins, Thomas Andrews, Carl Von Linde, Albert Einstein

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Méthodes d’évaluation

Cette SAE a été conçue dans un souci de rigueur et de respect du PFEQ. Centrée sur une approche par compétence, elle propose des outils qui favorisent une évaluation juste et pertinente des apprentissages desélèves, tant de manière individuelle que collective.

Ces outils comptent une grille d’évaluation descriptive à cinq niveaux, qui a été élaborée pour chacune descompétences ciblées, soit la compétence 2 : Mettre à profit ses connaissances en chimie et la compétence 3 :Communiquer sur des questions de chimie à l’aide des langages utilisés en science et en technologie. Cesgrilles sont disponibles à la fin du Cahier de l’élève.

De plus, des outils d’auto-évaluation donnent l’occasion aux élèves de faire une rétroaction sur les compétencesqu’ils ont mobilisées pour réaliser cette SAE. Ils se trouvent dans la section Intégration et réinvestissement du Cahier de l’élève.

Afin que vos élèves connaissent vos attentes et gardent en tête les critères sur lesquels ils seront évalués, vousêtes invité à faire découvrir ces outils au début de la SAE. Notez toutefois que ces derniers peuvent être adaptés au contexte de votre classe.

Finalement, puisque Génergie est une initiative éducative ouverte et dynamique, nous vous suggérons de faireparvenir à la coordonnatrice du projet les outils que vous développez afin qu’ils soient rendus accessibles àl’ensemble des utilisateurs du matériel de Génergie. Vous êtes aussi invité à communiquer à la coordonnatricetout commentaire concernant la réalisation de cette SAE ou le matériel de Génergie : [email protected].

Avant de débuter

Préparation du matériel didactiqueCette SAE ne nécessite pas de préparation de matériel de laboratoire, mais certaines parties requièrent l’utilisation du matériel suivant.

Activité graffitis• Grands cartons ou nappes de papier

• Crayons-feutres

Introduction à la thématique• Réseau Internet

• Logiciel pour le visionnement de vidéos

En ce qui concerne les fiches, vous pouvez les photocopier et les distribuer à vos élèves ou encore les plastifierafin de les récupérer et de les réutiliser ultérieurement. Vous pouvez aussi les projeter sur un écran en utilisantles versions PDF disponibles sur la page Internet de Génergie.

Information complémentaire

Cette SAE traite principalement des systèmes de réfrigération mécanique à changement de phase. À titre informatif,sachez cependant que deux autres technologies sont aussi utilisées dans l’industrie de la réfrigération : la technologie du refroidissement naturel (free cooling) et celle des systèmes à absorption.

La technologie du refroidissement naturel consiste à prérefroidir un fluide frigorigène dont la température initiale excède celle désirée. De conception simple, elle permet de refroidir un espace sans obliger le fluide àchanger de phase. Ce dernier circule dans un circuit (échangeur de chaleur) sous forme de gaz ou de liquideet traverse une zone froide (ex. : un lac ou à l’extérieur pendant l’hiver), puis une zone plus chaude à refroidir(ex. : une patinoire ou une chambre froide), où il absorbe la chaleur. Il demeure tout au long du processussous forme de gaz ou de liquide, selon le cas. Ce procédé est peu énergivore, mais n’est pas aussi performantque le système à changement de phase.

Pour sa part, le système à absorption est analogue au système à changement de phase, mais sa sourced’énergie principale est l’énergie thermique (ex. : solaire, géothermique) et les fluides utilisés n’augmententpas l’effet de serre. Son rendement énergétique est aussi plus faible que celui du système mécanique traditionnel à changement de phase, mais demeure très efficace dans des cas où la chaleur dite « perdue »à la suite d’un procédé de fabrication est récupérée.

Tous ces systèmes utilisent des fluides dits frigorigènes. Ces derniers sont en effet nommés ainsi dès qu’ilssont utilisés dans des systèmes de réfrigération. Ils ont en commun certaines caractéristiques qui leur permettent de capter et de libérer plus facilement de la chaleur. Pour plus d’information à leur sujet, consultez la fiche 4, Les gaz frigorigènes.

09

10

PréparationDurée : 1 heure

Introduction à la thématique généraleAfin de capter l’attention de vos élèves, vous pouvez amorcer cette SAE en réalisant diverses activités d’introduction à la thématique de la réfrigération. Vous pouvez, par exemple, commencer en demandant à vos élèves s’ils connaissent des métiers et des carrières en réfrigération (ex. : frigoriste, technologue en mécanique de bâtiment, chimiste).

Pour des idées de métiers et de carrières en réfrigération ou en énergie, consultez la section Métiers et carrière sur la page Internet de Génergie.

Il vous est également possible de commencer la SAE en présentant une vidéo traitant, par exemple, de la réfrigération en épicerie, de l’accès à la réfrigération dans le monde ou de solutions novatrices en réfrigérationpour les supermarchés et les arénas.

Par la suite, effectuez un retour sur la vidéo présentée. Invitez vos élèves à partager leurs réflexions ou leursquestionnements concernant les informations qu’ils ont captées lors de ce visionnement. Offrez-leur aussi l’occasion de discuter de leurs connaissances du domaine de la réfrigération. Amenez-les à réfléchir surl’importance de l’industrie du froid et sur la présence des gaz dans la vie quotidienne. À la fin de l’introduction,distribuez le Cahier de l’élève.

Consultez la section Liens utiles de cette SAE sur la page Internet de Génergie (onglet Enseignement secondaire)pour découvrir des exemples de vidéos et des hyperliens traitant de la réfrigération ou de notions connexes.

Activité graffitisPour aider vos élèves à rafraîchir leurs connaissances initiales, réalisez avec eux une activité graffitis. Celle-ci consisteà proposer une série de questions sur des affiches. Les élèves doivent d’abord y répondre de manière rapide et individuelle dans leur cahier, puis inscrire ces réponses sur les affiches.

Pour structurer cette activité, déterminez au départ quatre questions que vous jugez pertinentes et dont les réponsesseront utiles à vos élèves au cours de la SAE. Des exemples de questions sont présentés ci-après. Inscrivez une questiondans le haut de chaque affiche et laissez un grand espace blanc pour que les élèves y inscrivent leurs réponses, puisfixez les affiches aux murs de la classe. Pour faciliter la circulation des élèves, produisez deux affiches par question.Un temps peut être déterminé pour inscrire les réponses sur les affiches, trois à quatre minutes par affiche par exemple. Après ce délai, les élèves passent à l’affiche suivante.

Les réponses fournies vous aideront à connaître l’état des connaissances initiales de vos élèves. Vous pouvez alorsréaliser un retour collectif afin d’uniformiser les connaissances de base et, au besoin, d’ajouter certaines précisions.Invitez vos élèves à prendre en note ces éléments de réponses dans leur cahier (page 1). Vous pouvez aussi conserver les affiches sur les murs de la classe afin que vos élèves puissent les consulter tout au long de la SAE.

Toutes les réponses en liens avec le domaine de la réfrigération se trouvent dans les fiches de contenus scientifique ettechnologique de cette SAE. Pour les autres notions de chimie, les manuels scolaires couramment utilisés présententtous des réponses à ces questions.

Certaines des questions peuvent aussi servir à effectuer un survol des concepts préalables à cette SAE. Les questionsnon utilisées, mais qui vous semblent importantes, peuvent aussi être abordées lors du retour en groupe-classe afin d’enrichir les connaissances de vos élèves.

Exemples de questions pour l’activité de graffitis

1. Quels moyens peuvent servir à conserver des aliments au frais ?

2. Qui sont les chercheurs qui ont contribué à développer l’industrie du froid ? Explique leurs découvertes.

3. Énumère des appareils employés en réfrigération.

4. Qu’est-ce que la réfrigération ?

5. Qu’est-ce que le froid ?

6. Qu’est-ce qui différencie les notions de chaleur et de température ?

7. Illustre ce qui se produit sur le plan moléculaire lorsqu’un fluide change d’état.

8. Explique la réaction endothermique et la réaction exothermique et donne un exemple de chacune d’elle.

9. Explique la différence entre une force et une pression.

10. Énumère et explique les propriétés physiques communes aux différents gaz.

11. Nomme des exemples de réactions chimiques impliquant des gaz.

12. Quelles sont les variables utilisées pour étudier le comportement des gaz ?

13. Qu’est-ce que la loi de Boyle-Mariotte ?

14. Qu’est-ce que la loi de Charles ?

15. Qu’est-ce que la loi de Gay-Lussac ?

Mise en contexteÀ la suite de l’activité graffitis, invitez vos élèves à lire la mise en contexte. Demandez-leur de reformuler dans leurs propres mots le mandat qui leur est confié afin de vous assurer que tous ont bien compris le travailà effectuer. Demandez-leur aussi de formuler trois questions qui orienteront leur recherche d’information. Dites-leur qu’ils pourront à tout moment les consulter ou les modifier, mais qu’ils devront conserver toutes les traces de leur réflexion.

Vous pouvez aussi survoler les outils d’évaluation proposés à la fin du Cahier de l’élève afin d‘informer formellementvos élèves de vos attentes.

Formation des équipesFormez les équipes de travail. Certaines parties de la SAE se font en équipe, telles que la partie sur l’Explorationdes principes généraux de la réfrigération et la tâche complexe (production d’un dépliant informatif en lienavec leur étude de cas), alors que d’autres doivent être réalisées de manière individuelle. Vous devrez doncdonner des indications claires à ce sujet à vos élèves tout au long de la SAE.

Il est recommandé d’utiliser un mode d’apprentissage s’inspirant de l’apprentissage coopératif 1. Les équipes peuvent être idéalement constituées de trois ou quatre élèves ayant des forces complémentaires (ex. : force en lecture, en informatique ou en synthèse, intérêt marqué pour les sciences et les technologies, bon communicateur).Pour soutenir vos élèves dans le développement de leurs compétences transversales, vous pouvez leur demander de s’attribuer différents rôles au sein de leur équipe afin de maximiser le temps et les ressourcesdont ils disposent pour réaliser la SAE.

Une fois les équipes formées, distribuez les études de cas. Invitez vos élèves à les lire et à repérer les informationsqui les guideront dans l’élaboration de leur dépliant informatif. Demandez-leur ensuite de s’assurer que les troisquestions qu’ils ont inscrites dans leur cahier à la page 2 sont toujours pertinentes.

1 Favorise l’interaction positive entre les apprenants regroupés en petites équipes hétérogènes où chaque apprenant est responsable, individuellement

et en tant que membre du groupe, du succès de son apprentissage et de celui de son équipe. (CHAMBERLAND, LAVOIE et MARQUIS, 2003, p.121)

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RéalisationDurée : 4 heures 15 minutes

Survol historique de la réfrigérationCette activité permet aux élèves d’approfondir leurs connaissances sur des événements marquants de l’histoirede la réfrigération. En plus d’enrichir leur culture scientifique, certains éléments de réponses leur serviront parla suite à compléter le contenu du dépliant qu’ils produiront en équipe.

Pour commencer l’activité, vous pouvez soit donner la fiche 2, La réfrigération à travers l’histoire, à lire en devoir, soit, si le temps le permet, la faire lire en classe.

Par la suite, demandez à vos élèves d’inscrire les informations qu’ils jugent personnellement importantes sur laligne du temps présentée dans leur cahier à la page 3. Puis, après une discussion en équipe, demandez-leur decompléter leur ligne du temps avec les informations relevées par leurs coéquipiers. Proposez-leur d’utiliser deuxcouleurs de crayon différentes, l’une pour les informations qu’ils ont identifiées eux-mêmes, l’autre pour celles de leurs coéquipiers. Cette partie du travail vise à leur faire prendre conscience de l’importance de partager les informations au sein d’une équipe.

Cette activité peut également être réalisée en groupe-classe et servir d’activité de modelage pour aider vos élèves àorienter leur recherche d’information et à perfectionner leurs stratégies de lecture 2.

Il est aussi suggéré que vous effectuiez un retour en grand groupe à la fin de l’activité afin de vous assurer que vosélèves ont une compréhension commune des principaux éléments historiques de l’industrie de la réfrigération.

Exploration des principes généraux de la réfrigérationDans cette partie de la SAE, vos élèves seront amenés à se familiariser avec les principes chimiques et les loisimpliqués dans le processus de réfrigération. Ils auront aussi à comprendre le fonctionnement de base d’unsystème de réfrigération mécanique à changement de phase en analysant chacun de ses composants.

Il est suggéré que le travail soit effectué en équipe. L’enrichissement que procureront les échanges entre lesélèves permettra d’ancrer davantage les notions à approfondir pendant cette activité.

Illustrez le principe de la réfrigération en établissant un parallèle entre ce dernier et la sensation de froid quenous ressentons lorsque nous sortons de la douche. En effet, les gouttelettes d’eau sur la peau captent la chaleur du corps pour s’évaporer. Ainsi, le corps ressent une sensation de froid puisqu’il perd de sa chaleur.

Demandez ensuite à vos élèves de lire la fiche 3, Principes généraux de la réfrigération et laissez-les discuteren équipe des données présentées. Demandez-leur de répondre, dans leur cahier, aux questions sur les principes chimiques (page 4).

Lorsque vos élèves sont prêts à remplir la section Fonctionnement d’un système de réfrigération, assurez-vousd’effectuer un retour collectif afin de vérifier leur compréhension de ce système. Vous pouvez aussi leur présenterdu matériel éducatif complémentaire, tel qu’une vidéo ou un diaporama traitant de l’intégration d’un système deréfrigération dans des contextes concrets (ex. : supermarché ou aréna). Vos élèves pourront poursuivre leur travail en équipe en classe, ou en devoir. Notez qu’ils peuvent s’inspirer du schéma présenté dans la fiche 3 pourcréer leur propre schéma simpifié d’un système de réfrigération.

Consultez la section Liens utiles de cette SAE sur la page Internet de Génergie (onglet Enseignement secondaire)pour vous procurer gratuitement des outils complémentaires sur le fonctionnement d’un système de réfrigération.

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2 La SAE intitulée Regards sur l’avenir énergétique du Québec du projet Génergie présente, dans la fiche 2, des pistes pour développer

les stratégies de lecture chez les élèves. Consultez-la au besoin sur la page Internet de Génergie.

Puis, lorsque la majorité des équipes seront rendues à la partie des questions sur les lois des gaz, vous devrez probablement faire un rappel des notions et des formules de base. Vous pouvez animer cette activité sous forme de jeu-questionnaire ou simplement discuter des lois des gaz avec vos élèves. Ensuite, demandez-leur de compléter les pages 7 et 8 de leur cahier. À cet effet, rappelez-leur que leur équipe leur sert de groupe de discussion, de groupe d’entraide pour mieux comprendre les concepts, mais que les réponses doivent être données de manière individuelle.

Finalement, expliquez à vos élèves que la compréhension de ces concepts est importante, car ils devront intégrer certaines de ces informations dans leur dépliant (tâche complexe).

PISTES DE RÉPONSES

Par souci de rentabilité du matériel éducatif déjà existant, vous devrez consulter la documentation que vous utilisez normalement pour enseigner les lois des gaz. Ces notions et ces concepts étant déjà largement couvertspar la littérature scolaire et facilement accessibles sur Internet, il apparaissait peu logique de produire du nouveaumatériel contenant les mêmes informations. Nous vous suggérons de discuter avec vos élèves en groupe-classe de ces notions et concepts avant de poursuivre le déroulement de la SAE.

En ce qui concerne la question de l’implication de la loi des gaz parfaits dans un système de réfrigération, vous trouverez la réponse dans la fiche 3. En principe, vos élèves devront répondre en spécifiant que cela dépend du type de système. La loi des gaz parfaits peut être appliquée dans un système de réfrigération, mais ce dernier doit uniquement utiliser un fluide sous forme de gaz. C’est le cas notamment des systèmes faisant appel à la technologie de refroidissement naturel (free-cooling) utilisant de l’air.

Zoom sur les gaz frigorigènes et leurs impactsFaites lire en devoir la fiche 4, Les gaz frigorigènes et la fiche 5, La réfrigération et l’environnement. Vous pouvez réserver un temps en classe pour effectuer un retour sur les lectures.

Invitez par la suite vos élèves à produire individuellement un réseau conceptuel à partir des informationscontenues dans toutes les fiches qu’ils ont lues jusqu’à présent. Ce réseau constituera l’un de leurs outils deréférence pour déterminer quel serait le meilleur système réfrigérant à proposer selon leur étude de cas et lescritères qu’ils élaboreront.

Demandez-leur ensuite de partager les informations relevées dans leur réseau conceptuel avec les autresmembres de leur équipe. Cette étape doit se faire après l’évaluation de la compétence ciblée.

PISTES DE RÉPONSESLe réseau conceptuel peut contenir des informations concernant :

• Les caractéristiques d’un bon fluide frigorigène

• Les impacts environnementaux des fluides frigorigènes

• Les impacts sur la santé humaine des fluides frigorigènes

• Les moyens favorisant une récupération d’énergie ou une diminution de la consommation énergétique

• Les avantages et les inconvénients des fluides frigorigènes

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Conception du dépliant informatifVous êtes maintenant à l’étape de la tâche complexe, celle qui requiert de vos élèves qu’ils mettent en relationles divers apprentissages qu’ils ont réalisés au cours de cette SAE.

Dans un premier temps, revoyez le mandat avec vos élèves et les spécificités des deux études de cas (fiche 1).

Puis, demandez-leur de déterminer environ quatre principaux critères sur lesquels ils baseront leur choix dusystème à proposer au propriétaire du supermarché ou de l’aréna.

PISTES DE RÉPONSES• Compatibilité du gaz avec les matériaux existants

• Possibilité de récupérer de la chaleur pour l’utiliser dans d’autres applications

• Réduction des coûts à la suite de la réalisation des travaux

• Taux de toxicité nul du fluide frigorigène

• Coût des travaux

• Respect des normes environnementales

• Risque d’inflammabilité nul

• Grande capacité d’absorption et de relâche de la chaleur

• Faible coût d’entretien

Chacune des équipes rédige ensuite le plan de son dépliant. Rappelez-leur d’utiliser la liste de vérification situéedans leur cahier à la page 10 afin de s’assurer d’intégrer tous les éléments importants dans leur dépliant. Soulignezque le format du dépliant peut varier et que pour rendre ce dernier le plus attrayant possible et facile à comprendre,il est souhaitable qu’ils utilisent leurs compétences en technologies de l’information et de la communication.

De plus, mentionnez-leur que leur dépliant servira à évaluer particulièrement la compétence 3 (critères 2 et 3),mais aussi la compétence 2 (critères 2 et 4). Assurez-vous aussi que les membres de chaque équipe se distribuentéquitablement les tâches à exécuter pour la réalisation du dépliant. Il vous est fortement suggéré de laisser les élèvesse répartir eux-mêmes ces tâches. Il vous est aussi fortement recommandé de laisser vos élèves commencer leurproduction en classe afin que vous puissiez la valider avant qu’ils la terminent en devoir à la maison. Vous pouvezaussi choisir d’offrir une période entière pour la réalisation du dépliant.

PISTES DE RÉPONSESSelon la littérature et l’état actuel des recherches, l’ammoniac serait de plus en plus conseillé pour des systèmesinstallés dans des arénas, alors que le CO2 serait de plus en plus suggéré pour les systèmes de réfrigération dessupermarchés. Cependant, ces gaz possèdent des inconvénients importants qui font que plusieurs acteurs du milieu de la réfrigération hésitent à les recommander (ex. : risques pour la santé, coûts d’aménagement importants ou capacité d’absorption et de relâche de chaleur plus faible). Puisque chacun des gaz possède des avantages etdes inconvénients, vos élèves peuvent présenter plusieurs solutions pour une même situation. L’important, c’estque leurs justifications soient cohérentes avec le système qu’ils proposent.

14

Intégration et réinvestissementDurée : 1 heure 15 minutes

Retour et discussion en groupe-classePrenez un temps à la fin de cette SAE pour faire un retour sur les recommandations formulées par les élèves etpour homogénéiser leurs apprentissages. Assurez-vous que vos élèves ont bien intégré les concepts liés à la théorie des gaz et aux changements subis par un fluide frigorigène.

Notez que cette étape est souvent négligée, mais qu’elle facilite grandement l’intégration de concepts dans lamémoire à moyen et à long terme. Les échanges qu’elle favorise entre les élèves se révèlent des plus enrichissants, permettant à ces derniers de verbaliser leur expérience et d’ainsi consolider leurs apprentissages. De plus, elle leurdonne l’occasion de découvrir différentes facettes d’une même réalité et d’autres manières de travailler.

Pour offrir d’autres occasions à vos élèves de voir les réalisations des autres équipes, organisez un concours. Vouspouvez inviter des parents ou des scientifiques de votre région à être juges.

Défis et solutions d’avenirAfin de favoriser une ouverture à d’autres aspects du domaine de la réfrigération, demandez à vos élèves deréfléchir sur l’avenir de cette industrie. Invitez-les à inscrire leur réflexion dans leur cahier à la page 12.

Pour nourrir leur imaginaire et stimuler leur intérêt pour la science et la technologie, vous pouvez leur faire lirepréalablement en devoir la fiche 6, Innovations en réfrigération. Vous pouvez aussi leur présenter des vidéostraitant d’innovations en réfrigération ou de problématiques globales telles que celle de l’accès à l’énergie. Desressources vous sont proposées sur la page Internet de Génergie.

Pour enrichir votre intervention, présentez-leur la vidéo du programme Recyc-Frigo Environnement d’Hydro-Québec afin de les sensibiliser à l’économie d’énergie et au recyclage des vieux réfrigérateurs. Pour l’adresse, consultez l’annexe 1, section Ressources Internet.

Je me découvre et j’élargis mes horizons…Afin d’intégrer l'approche orientante dans votre classe, donnez quelques minutes à vos élèves pour qu’ils évaluent leurs aptitudes en science et technologie. Vous pouvez aussi proposer à vos élèves d’évaluer leurs coéquipiers. En recevant des membres de son équipe des commentaires sur sa participation, l’élève peutparfois mieux comprendre son processus d’apprentissage et l’ajuster au besoin.

Métiers et carrièresOffrez du temps à vos élèves pour qu’ils se renseignent sur les métiers et les carrières dans l’industrie de la réfrigération. La page 13 du Cahier de l’élève a été conçue pour leur permettre d’y inscrire leurs résultats de recherche. Pour les guider dans cette exploration, vous pouvez leur suggérer de consulter différents site Internet (liste proposée dans la section Métiers et carrières sur la page Internet de Génergie) ou les courts dossiers sur des métiers et des carrières réalisés par Génergie (sur le métier de frigoriste par exemple). Vouspouvez compléter l’activité en invitant votre conseiller d’orientation à venir discuter des métiers et carrières en chimie ou dans le domaine de la réfrigération.

Compétence transversale : Se donner des méthodes de travail efficacesInvitez vos élèves à remplir l’auto-évaluation, conçue pour leur faire prendre conscience du travail personnelqu’ils ont accompli en ce qui concerne le développement de leurs compétences transversales. Elle se trouve à la page 14 du Cahier de l’élève.

15

16

Mot de la fin

En ayant réalisé cette SAE, vous avez offert une occasion spéciale à vos élèves d’approfondir leur compréhensiond’une application scientifique et technologique dont les retombées s’avèrent nombreuses dans leur vie quotidienne : la réfrigération. L’AQME et ses partenaires souhaitent donc que cette SAE ait répondu à vos attentes et qu’elle ait permis à vos élèves d’enrichir leurs connaissances et de développer leurs compétencesen science et technologie. L’AQME vous invite à lui faire part de vos commentaires et suggestions.

Si vous avez apprécié cette SAE et souhaitez réaliser d’autres activités traitant de l’énergie, consultez le Répertoire des visites techniques en entreprise disponible sur la page Internet de Génergie à l’adresse :www.aqme.org/genergie. Vous y découvrirez des occasions formidables d’entrer en contact avec le milieu de l’efficacité énergétique !

En ayant réalisé les activités proposées dans cette SAE, vous avez participé à faire prendre conscience à lajeunesse que l’énergie est omniprésente dans nos vies et qu’il faut tendre vers une utilisation des ressourcesen harmonie avec les concepts du développement durable. En espérant que cela portera ses fruits, toutel’équipe de Génergie vous remercie pour le geste que vous venez de poser en faveur d’un développement etd’une consommation énergétiques plus responsables.

Bonne continuation !

17

Canevas de planification

Description de la SAE : Une chimie rafraîchissante!Cette SAE met en application la démarche d’analyse. Par le biais de l’étude d’un système réfrigérant, les élèvessont amenés à approfondir leur compréhension des propriétés et des lois s’appliquant aux gaz ainsi qu’autransfert d’énergie (chaleur). De plus, par la découverte de différents gaz utilisés en réfrigération, les élèves apprennent à réfléchir sur les impacts à moyen et à long terme des substances chimiques dégagées dans l’atmosphère et sur les moyens à prendre pour réduire les effets négatifs de ces gaz sur l’environnement.

Finalement, à travers la réalisation de la tâche complexe, les élèves accroîtront leur capacité à travailler enéquipe, et ce, de manière efficace. Ils pourront aussi explorer les métiers et carrières reliés au domaine de la réfrigération.

Durée prévue

• Cinq à six périodes de 75 minutes en salle de classe et quelques périodes de devoirs à la maison

Clientèle

• Élèves de la troisième année du deuxième cycle du secondaire

Disciplines

• Chimie, français et développement professionnel

Ressources et références utiles

Organismes

• Institut international du froid

• Ressources naturelles Canada, CanmetÉNERGIE

• Corporation des entreprises de traitement de l’air et du froid (CETAF)

• CoéffiScience : Comité sectoriel de main-d’œuvre de la chimie, de la pétrochimie, du raffinage et du gaz au Québec

Ressources Internet

• Plusieurs vidéos – Ressources naturelles Canada, CanmetÉNERGIE[http://canmetenergy-canmetenergie.nrcan-rncan.gc.ca/fra/videos.html]

• Encyclopédie virtuelle des gaz[http://encyclopedia.airliquide.com/encyclopedia.asp?CountryID=19&LanguageID=2]

• Recyc-Frigo Environnement - vidéo [http://www.recyc-frigo.com/fr/]

Autres ressources

• Pensons Climat (conférences sur les changements climatiques)

• Protocole de Kyoto, protocole de Montréal

Pour obtenir d’autres idées de ressources, consultez la section Liens utiles de cette SAE sur la page Internet de Génergie.

ANNEXE 1

18

Dérou

lemen

t de la SAE selon

les trois phases du processus d’apprentissag

e

DÉROULEMENT

MATÉRIEL

DURÉE

PRÉPARATION

1 heure

Introduction à la thém

atique générale

• Vidéo sur la réfrigération – liens Internet

• Guide de l’enseignant(page 10)

20 minutes

Activité graffitis

• Cahier de l’élève(page 1)

• Affiches et crayons-feutres

25 minutes

Mise en contexte


10 minutes

Form

ation des équipes

• Cahier de l’élève(page couverture)

• Fiche 1

5 minutes

RÉALISATION

4 heures 15 minutes

Survol historique de la réfrigération


• Fiche 2

30 minutes + devoir préalable

Exploration des principes généraux de

la réfrigération

• Cahier de l’élève(pages 4 à 8)

• Fiche 3

• Diaporamas, vidéos, liens Internet

2 heures

Zoom

sur les gaz frigorigènes et leurs im

pacts


• Fiches 4 et 5

45 minutes + devoir préalable

Conception du dépliant inform

atif

• Cahier de l’élève

• Toutes les fiches

• Matériel pour la production du dépliant

1 heure + à term

iner en devoir

IGG E IEI E

19

DÉROULEMENT

MATÉRIEL

DURÉE

INTÉGRATION ET RÉINVESTISSEMENT

1 heure 15 minutes

Retour et discussion en groupe-classe


• Dépliants

15 minutes

Défis et solutions d’avenir


• Fiche 6

• Ressources Internet (liens pour des vidéos)

30 minutes

Je m

e découvre et j’élargis m

es horizons…


5 minutes

Métiers et carrières


• Liens Internet

20 minutes

Com

pétence transversale : Se donner des

méthodes de travail efficaces


5 minutes

G I I I I

20

ANNEXE 2

Complément d’information pour l’enseignant

Survol de la théorie de la thermodynamiquePour aller un peu plus loin dans la compréhension du procédé de réfrigération, il est essentiel d’en connaître l’origine. C’est la notion de la thermodynamique qui est à la base des systèmes de réfrigération. Le terme « thermodynamique » attesté en français en 1862 et emprunté à l’anglais (thermodynamics) vient du grecthermos (chaud) et dunamis (force ou mouvement). Cette science étudie et décrit le comportement de la matière ou des systèmes en fonction de trois variables, soit la température, l’énergie et l’enthropie.

Dans un système de réfrigération, le fluide réfrigérant, contenu dans le circuit fermé, subit un cycle thermodynamique.L’objectif premier de ce cycle est de tirer profit de l’importante baisse de température créée par la réduction soudainede la pression du liquide frigorigène. Une fois détendu (pression faible), le fluide est utilisé dans l’évaporateur afin derefroidir un milieu donné. Pour que ce cycle fonctionne en continu, le fluide frigorigène doit être comprimé aprèschacun de ses passages dans l’évaporateur. Chacun de ces changements est régi par les lois de la thermodynamique.La thermodynamique étudie et explique donc le mouvement des particules de matières ou les transformations subiespar un système selon les changements de température (T), d’énergie (ex.: chaleur [Q], travail [W]) et d’entropie (S). Voici un résumé des trois lois de la thermodynamique :

1. La loi de la conservation de l’énergie indique que l’énergie ne peut être ni créée, ni détruite. Elle se transforme.Elle exprime le fait que peu importe le mécanisme ou le système utilisé, nous ne pouvons pas créer de l’énergie,mais seulement la prendre et la transformer sous une autre forme. L’énergie de l’Univers est donc, selon cettethéorie, constante.

2. L’entropie est la mesure qui permet de calculer le désordre moléculaire. Elle représente la portion de l’énergied’un système qui ne sert à rien, qui est, en quelque sorte, impossible à exploiter. L’entropie d’un système isolé(isolé dans le sens où il n’y a pas d’apport énergétique provenant de l’extérieur) augmente constammentpuisque plus un système fonctionne, plus une partie de l’énergie potentielle initiale est perdue, par exemple en chaleur. Ainsi, tout processus de transformation répond à la contrainte selon laquelle l’entropie d’un systèmeisolé ne cesse d’augmenter tant et aussi longtemps que le système demeure isolé.

3. L’entropie est à son minimum lorsque la température d’un système atteint le zéro absolu, soit la plus basse température possible (-273,15 °C ou base du système de température en Kelvin). À cette température, il n’y aplus de mouvement, plus de chaleur, plus aucune énergie à exploiter. La mesure de la partie d’énergie d’unsystème devient donc infime. Par contre, en principe, il est impossible d’atteindre le zéro absolu, car aucun processus ne peut nous y conduire.

L’élément important à comprendre de la théorie de la thermodynamique dans le cadre de l’étude d’un système réfrigérant est le fait que le froid ne se crée pas. Un système de réfrigération retire de la chaleur d’un espace pourle rafraîchir en utilisant le principe de transfert thermique. Ainsi, conformément aux lois de la thermodynamique,toute compression augmente la température d’un fluide, et toute détente l’abaisse.

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Symboles des unités de mesure

Notez que les symboles ici présentés ont été choisis, car ils sont ceux qui semblent être les plus fréquemmentutilisés dans la littérature scientifique destinée aux élèves de niveau secondaire.

ANNEXE 3

SYMBOLE DÉFINITION UNITÉ

Cp Capacité thermique massique • Joule par gramme-degré Kelvin (J/gK)

R Constante des gaz parfaits • Kilopascale litre par mole Kelvin ((kPa•L/mol•K) = 8,314 kPa•L/mol•K)

Q Énergie/chaleur • Joule (J)• Kilojoule (kJ)

H Enthalpie • Joule (J)• Kilojoule (kJ)

m Masse • Gramme (g)• Kilogramme (kg)

M Masse molaire • Gramme par mole (g/mol)

P Pression • Pascal (Pa) • Kilopascal (kPa)

T Température • Degré Celsius (°C)• Degré Kelvin (K)

(O °C = 273 K)

T Variation de température • Degré Celsius (°C)• Degré Kelvin (K)

V Volume • Litre (L)

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24

Notes

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