Jce univers dans_un_verre_d_eau_extrait

Sommaire CHAPITRE 1 L’EAU, UN MILIEU CHANGEANT ET EXTRAORDINAIRE ...... ......................................... 7

1.1 CHAQUE MOLECULE D’EAU A SA PROPRE HISTOIRE ....................................................................... 7

1.2 L’EAU SUR TERRE .................................................................................................................... 8

1.3 COMMENT L’EAU EST-ELLE APPARUE SUR TERRE ? ...................................................................... 12

CHAPITRE 2 DIFFERENTS ETATS DE L’EAU ......................... ........................................................... 17

2.1 QUELS SONT LES DIFFERENTS ETATS DE L’EAU ? ......................................................................... 17

2.2 COMMENT PASSE-T-ON D’UN ETAT A L’AUTRE ?............................................................................ 18

2.3 SENS DU TRANSFERT DE L’ENERGIE ............................................................................................ 18

2.4 QUELLE EST LA QUANTITE D’ENERGIE NECESSAIRE POUR CHANGER D’ETAT ? .................................. 21

2.5 EST-CE QUE LA PHRASE « L’EAU GELE A 0° ET S’EVAPORE A 100°C » EST TOUJOURS JUSTE ? .......... 23

CHAPITRE 3 STRUCTURE INTERNE DE L’EAU ........................ ......................................................... 25

3.1 L’EAU EST CONSTITUEE DE MOLECULES ...................................................................................... 25

3.2 POURQUOI LES ATOMES D’HYDROGENE ET D’OXYGENE SONT-ILS ASSOCIES ? ................................. 26

CHAPITRE 4 L’EAU A L’ETAT LIQUIDE ............................ .................................................................. 31

4.1 POURQUOI L’EAU EST UN LIQUIDE A TEMPERATURE AMBIANTE ? ..................................................... 31

4.2 DENSITE DE L’EAU .................................................................................................................... 39

4.3 EAU FROIDE / EAU CHAUDE : POURQUOI ET COMMENT ? ............................................................... 44

4.4 MOUVEMENT BROWNIEN ........................................................................................................... 45

4.5 POURQUOI L’EAU REMONTE-T-ELLE SUR LES BORDS D’UN VERRE ................................................... 46

4.6 LE NIVEAU DE L’EAU PEUT-IL DEPASSER LE HAUT DU VERRE ? ........................................................ 51

4.7 QUELLE FORME A UNE GOUTTE D’EAU ? ...................................................................................... 51

4.8 UNE GOUTTE SUR UN SUPPORT HORIZONTAL ............................................................................... 54

4.9 UNE GOUTTE SUR UN SUPPORT VERTICAL OU INCLINE ................................................................... 56

4.10 UNE GOUTTE QUI PEND SANS TOMBER ........................................................................................ 58

4.11 DEUX GOUTTES D’EAU PEUVENT FUSIONNER EN UNE SEULE .......................................................... 58

4.12 LA CAPILLARITE ........................................................................................................................ 59

4.13 POURQUOI LE SEL ET LE SUCRE SE DISSOLVENT-ILS DANS L’EAU ? ................................................. 66

4.14 EAU ET HUILE, DES LIQUIDES QUE L’ON NE PEUT PAS MELANGER .................................................... 80

4.15 L’EAU ET LE SAVON ................................................................................................................... 85

4.16 POURQUOI LES VERRES BAVENT-ILS ? ........................................................................................ 91

4.17 POURQUOI L’EAU EPOUSE-T-ELLE LA FORME DU VERRE ?.............................................................. 93

4.18 POURQUOI L’EAU A-T-ELLE UN GOUT ET UNE ODEUR ? .................................................................. 94

4.19 EST-CE QUE L’EAU NE CONTIENT QUE DE L’EAU ? ......................................................................... 96

4.20 POURQUOI LE MIEL EST-IL PLUS VISQUEUX QUE L’EAU ? ................................................................ 99

4.21 DECANTATION, FLOCULATION, SEDIMENTATION, FILTRATION, FLOTTATION, CENTRIFUGATION ............ 110

4.22 QUAND UNE GOUTTE TOMBE A LA SURFACE DE L’EAU .................................................................... 113

4.23 CHATEAUX DE SABLE ................................................................................................................ 115

4.24 EAU ET PLATRE ........................................................................................................................ 116

4.25 POURQUOI UN VERRE PEUT-IL SE BRISER AVEC DE L’EAU CHAUDE ? ............................................... 119

CHAPITRE 5 L’EAU A L’ETAT SOLIDE ............................. ................................................................ 121

5.1 FAIRE DE LA GLACE ET LA FAIRE FONDRE..................................................................................... 121

5.2 EST-CE QU’IL N’Y A QU’UNE FORME DE GLACE ? ........................................................................... 123

5.3 SENSATION DE FROID................................................................................................................ 124

5.4 POURQUOI LA GLACE FLOTTE-T-ELLE SUR L’EAU ?........................................................................ 124

5.5 COMMENT FAIRE COULER UN GLAÇON D’EAU ? ............................................................................ 126

5.6 LE GLAÇON FOND MAIS NE CHANGE PAS LE NIVEAU DE L’EAU DANS LE VERRE .................................. 127

5.7 EMPECHER L’EAU DE GELER AVEC DU SEL ................................................................................... 128

5.8 EST-CE QUE L’EAU DOUCE PEUT AVOIR UNE TEMPERATURE INFERIEURE A 0°C ? ............................. 132

5.9 STRUCTURATION DE L’EAU QUI GELE........................................................................................... 133

5.10 EAU FROIDE OU EAU CHAUDE : LAQUELLE GELE LA PREMIERE ? ..................................................... 134

5.11 L’EAU FROIDE DESCEND ET L’EAU CHAUDE MONTE ........................................................................ 135

5.12 LA GLACE DANS LA NATURE ....................................................................................................... 135

CHAPITRE 6 L’EAU A L’ETAT GAZEUX ............................. .............................................................. 139

L’Univers dans quelques gouttes d’eau 5

6.1 QU’EST QUE L’EVAPORATION ? .................................................................................................. 140

6.2 L’EAU COUVERTE D’HUILE S’EVAPORE DIFFICILEMENT .................................................................... 143

6.3 LA VAPEUR DANS L’AIR .............................................................................................................. 144

6.4 EVAPORATION FORCEE DE L’EAU EN LA CHAUFFANT ..................................................................... 146

6.5 POURQUOI VOIT-ON DES BULLES QUAND L’EAU BOUT ? ................................................................. 147

6.6 POURQUOI L’EAU FAIT-ELLE DU BRUIT QUAND ELLE BOUT ? ........................................................... 148

6.7 GONFLER UN BALLON AVEC DE L’EAU CHAUDE ............................................................................. 149

CHAPITRE 7 FLOTTERA, FLOTTERA PAS ? .......................... .......................................................... 151

7.1 DENSITE, MASSE VOLUMIQUE, MASSE, POIDS ET VOLUME .............................................................. 151

7.2 FLOTTERA, FLOTTERA PAS ? ...................................................................................................... 153

7.3 POUSSEE D’ARCHIMEDE ............................................................................................................ 156

7.4 AMELIORER LA POUSSEE D’ARCHIMEDE AVEC DU SEL ................................................................... 158

7.5 EST-CE QUE LES OBJETS SONT MOINS LOURDS DANS L’EAU ? ........................................................ 161

7.6 POURQUOI LES OBJETS S’ENFONCENT-ILS PLUS OU MOINS DANS L’EAU ? ........................................ 162

7.7 FLOTTER SUR AUTRE CHOSE QUE DE L’EAU ?............................................................................... 165

7.8 POIDS OU VOLUME ? ................................................................................................................. 166

7.9 LA POUSSEE D’ARCHIMEDE NE S’APPLIQUE PAS QU’AUX LIQUIDES .................................................. 167

7.10 EN CONCLUSION, UN PEU DE METHODE ....................................................................................... 170

CHAPITRE 8 EAU, ONDES ET LUMIERES ............................ ............................................................ 171

8.1 QUELQUES NOTIONS SUR LES ONDES ......................................................................................... 171

8.2 TABLEAU DE MENDELEÏEV ......................................................................................................... 187

8.3 IONISATION DES ATOMES ........................................................................................................... 189

8.4 APPLICATION DE CES NIVEAUX D’ENERGIE AUX MOLECULES ........................................................... 199

8.5 POURQUOI LES OBJETS ONT-ILS UNE COULEUR SPECIFIQUE ?........................................................ 203

8.6 D’OU VIENNENT LES ARC EN CIEL ? ............................................................................................. 209

8.7 CAUSTIQUES ET PARABOLES ...................................................................................................... 215

8.8 BRISER TEMPORAIREMENT UN CRAYON AVEC DE L’EAU ................................................................. 216

8.9 FAIRE UNE LOUPE AVEC DE L’EAU ............................................................................................... 217

8.10 VISUALISER UN RAYON DE LUMIERE DANS L’EAU ........................................................................... 218

8.11 CHROMATOGRAPHIE AVEC DES BONBONS.................................................................................... 219

8.12 L’EAU PEUT GUIDER LA LUMIERE ................................................................................................. 221

8.13 DE L’EAU LA OU IL N’Y EN A PAS .................................................................................................. 222

CHAPITRE 9 EAU, ONDES ET CHALEUR ............................. ............................................................ 225

9.1 DIFFUSION DE LA CHALEUR ........................................................................................................ 225

9.2 CONDUCTION ........................................................................................................................... 226

9.3 CONVECTION ........................................................................................................................... 230

9.4 RAYONNEMENT OU RADIATION ................................................................................................... 233

9.5 UNE CASSEROLE D’EAU QUI CHAUFFE UTILISE CES TROIS MOYENS DE DIFFUSION ............................. 235

9.6 POURQUOI CERTAINES COULEURS ABSORBENT-ELLES MIEUX LA CHALEUR ? ................................... 236

9.7 IMPORTANCE DE LA DIFFUSION DANS LA CONCEPTION DE L'ELECTROMENAGER ................................ 236

9.8 CAS PARTICULIER DE LA BOUTEILLE ISOTHERME ........................................................................... 237

9.9 POURQUOI PEUT-ON CHAUFFER DE L’EAU AVEC UN MICRO-ONDE ? ................................................. 238

CHAPITRE 10 EAU, ONDES ET MOUVEMENT ................................................................................... 243

10.1 ONDES MECANIQUES ................................................................................................................ 244

10.2 ONDES, INTERFERENCES ET ONDES STATIONNAIRES .................................................................... 250

10.3 ONDE, FREQUENCE PROPRE ET RESONANCE ............................................................................... 253

10.4 QUE SE PASSE-T-IL QUAND UN OBJET TOMBE DANS L’EAU ? ........................................................... 262

10.5 QUAND UN CAILLOU TOMBE DANS UNE MARE ................................................................................ 273

10.6 QUAND UNE GOUTTE DE PLUIE TOMBE DANS UNE MARE ................................................................. 273

10.7 QUAND UNE GOUTTE DE PLUIE TOMBE DANS UNE FLAQUE .............................................................. 274

10.8 QUAND UN OBJET TOMBE DANS L’HUILE ....................................................................................... 274

10.9 VAGUE, HOULE, DEFERLANTE .................................................................................................... 276

10.10 « RIPPLE MARKS » : DES VAGUES DANS LE SABLE ........................................................................ 288

10.11 EAU, TERRE, LUNE, SOLEIL ET MAREES ...................................................................................... 294

10.12 SILLAGE DE KELVIN ................................................................................................................... 310

10.13 RESSAUT HYDRAULIQUE ET ÉOLIEN ............................................................................................ 312

6 L’Univers dans quelques gouttes d’eau

10.14 ONDES OROGRAPHIQUES .......................................................................................................... 314

CHAPITRE 11 EAU, ONDES ET SON .................................................................................................. 317

11.1 QU’EST-CE QUE LE SON ?.......................................................................................................... 317

11.2 VITESSE DU SON DANS L’EAU ..................................................................................................... 321

11.3 ONDES SONORES ET VIBRATIONS ............................................................................................... 322

11.4 VERRE ET ONDES SONORES ...................................................................................................... 323

11.5 UNE FLUTE DE PAN AVEC DES BOUTEILLES .................................................................................. 328

11.6 UN VIBRAPHONE AVEC DES VERRES D’EAU .................................................................................. 331

CHAPITRE 12 L’EAU A LA PRESSION ............................... ................................................................ 333

12.1 PEUT-ON COMPRESSER DE L’EAU ? ............................................................................................ 333

12.2 LA PRESSION ATMOSPHERIQUE .................................................................................................. 338

12.3 PRESSION DE L’EAU .................................................................................................................. 359

12.4 FAIRE CUIRE DES PATES AU SOMMET DE L’EVEREST ? .................................................................. 363

12.5 DESHYDRATATION DES ALIMENTS ............................................................................................... 364

12.6 LA CAVITATION ......................................................................................................................... 365

12.7 COMMENT FONCTIONNE UN ATOMISEUR ? ................................................................................... 371

12.8 POURQUOI LES OREILLES SE BOUCHENT-ELLES EN AVION ?........................................................... 371

12.9 TURBULENCE DANS UN VERRE D’EAU .......................................................................................... 373

12.10 SIPHONS ................................................................................................................................. 374

12.11 OSMOSE ................................................................................................................................. 378

12.12 FORCE CENTRIFUGE ................................................................................................................. 383

CHAPITRE 13 DE L’EAU ET DES BULLES ............................ ............................................................. 387

13.1 QUEL EST LE VOLUME DE GAZ CONTENU DANS UN VERRE D’EAU GAZEUSE ? .................................... 388

13.2 POURQUOI DES BULLES APPARAISSENT-ELLES QUAND ON OUVRE UNE BOUTEILLE ? ......................... 389

13.3 POURQUOI LES BULLES APPARAISSENT-ELLES A CERTAINS ENDROITS SUR LE VERRE ?..................... 393

13.4 LES BULLES D’UNE FLUTE DE CHAMPAGNE EN CHIFFRE ................................................................. 395

13.5 POURQUOI LES BULLES DE L’EAU GAZEUSE NE RESTENT-ELLES PAS EN SURFACE ? ......................... 395

CHAPITRE 14 EAU, ELECTRICITE ET MAGNETISME .................... .................................................... 397

14.1 PILE ELECTRIQUE...................................................................................................................... 397

14.2 ELECTROLYSE DE L’EAU ............................................................................................................ 412

14.3 L’EAU EST-ELLE UN BON CONDUCTEUR ? ..................................................................................... 415

14.4 CORROSION, ROUILLE ET OXYDATION ......................................................................................... 416

14.5 BOUSSOLE EPINGLE.................................................................................................................. 426

CHAPITRE 15 L’EAU ET LA METEOROLOGIE .......................... ......................................................... 431

15.1 LES MASSES D’AIR .................................................................................................................... 431

15.2 FORMATION DES NUAGES .......................................................................................................... 436

15.3 DIFFERENTES FORMES DE BROUILLARDS ..................................................................................... 439

15.4 PRECIPITATIONS ET HYDROMETEORES ........................................................................................ 443

15.5 POURQUOI LE VENT SOUFFLE-T-IL TOUJOURS EN BORD DE MER ? .................................................. 453

15.6 INFLUENCE SUR LA METEOROLOGIE LOCALE ................................................................................ 454

15.7 FORCE DE CORIOLIS ................................................................................................................. 455

CHAPITRE 16 DE L’EAU AILLEURS ................................. .................................................................. 459

16.1 L’EAU EN IMPESANTEUR DANS LA STATION SPATIALE ..................................................................... 459

16.2 L’EAU DANS NOTRE SYSTEME SOLAIRE ........................................................................................ 463

16.3 EN DEHORS DE NOTRE SYSTEME SOLAIRE ................................................................................... 473

16.4 LA PLUIE ET LES AVIONS ............................................................................................................ 474

CChhaappii tt rree 11 LL’’EEAAUU,, UUNN MMIILLIIEEUU CCHHAANNGGEEAANNTT EETT EEXXTTRRAAOORRDDIINNAAIIRREE

1.1 CHAQUE MOLECULE D ’EAU A SA PROPRE HISTOIRE

Si elle pouvait parler, la moindre petite goutte d’eau raconterait la plus passionnante des histoires que vous ayez jamais entendue ! Comment les deux tiers des atomes qui la composent sont nés il y a 13,5 milliards d’années avec l’univers, et comment le dernier tiers a vu le jour par fusion nucléaire au cœur même des étoiles. Comment elle a participé au refroidissement d’une planète Terre tourmentée par le volcanisme et les impacts météoritiques quelques milliards d’années après sa formation. Comment elle a vu naître et abrité les premiers organismes, participant ainsi à l’apparition de la Vie. Comment elle a abreuvé toutes les générations d’animaux, des premiers poissons à ceux que nous connaissons aujourd’hui, en passant par les dinosaures et les plantes. Comment sans changer elle-même, elle a vu évoluer et disparaître des millions d’espèces. Comment elle a assisté à toute l’histoire de l’humanité, connu tant de civilisations et étanché la soif des plus grands hommes, Comment elle a fait tant de fois le tour de la Terre, que ce soit dans les airs, les mers, les fleuves ou les rivières souterraines, Comment elle a modelé les plus hautes chaînes montagneuses, les rivages et les vallées, Mais aussi comment elle a connu les plus grandes inondations, les plus grands raz de marée et les nombreuses glaciations


Figure 2 L’eau de votre verre d’eau a toute une his toire

1.2 L’EAU SUR TERRE

La quantité d’eau présente sur Terre est pratiquement inchangée depuis plusieurs milliards d’années. Elle est estimée à 1,4 milliards de km3. Cette quantité peut sembler importante mais sa répartition est très inégale, tant d’un point de vue géographique, que de par sa potabilité ou sa disponibilité sous forme liquide ou solide.

1.2.1 Répartition inégale de l’eau à la surface du globe Six grands pays (et quelques petits pays limitrophes) se partagent plus de 50% des précipitations ! Paradoxalement, l’Antarctique reste l’endroit le plus sec sur Terre avec seulement 0,5 cm d’eau par m2 par an. Cette inégalité influe sur les capacités des populations à vivre de leurs cultures et entraîne de nombreux conflits de territoire.


Figure 3 Six pays bénéficient de 50% des précipitat ions

Les cours d’eau sont tout aussi inégalement répartis. Si les précipitations sont délimitées géographiquement, ce n’est pas le cas des fleuves qui traversent souvent plusieurs pays et sont d’ores et déjà des enjeux politiques majeurs. L’amazone est le fleuve avec le plus gros débit. Pour obtenir un débit équivalent, il faut :

• Multiplier par cinq le débit du second fleuve le plus important • ou additionner les débits des sept fleuves suivants

Figure 4 Répartition géographique des plus grands f leuves

Les retenues d’eau naturelles sont également des enjeux majeurs aujourd’hui et le deviendront encore plus dans les années à venir.


Pour exemple, la Mer d’Aral a été presque vidée de son eau en moins de 60 ans afin d’irriguer des terres situées à plusieurs milliers de kilomètres, au détriment de la faune locale et des populations qui en vivaient directement. Les lacs les plus étonnants sont certainement ceux cachés sous les glaces du continent Antarctique. Les photos satellites montrent aujourd’hui de nombreuses réserves d’eau douce dont la plus grande est sans doute le lac Vostok. Ces lacs d’eau douce liquide abritent des formes de vie inconnues. Ils sont pour l’instant toujours protégés au niveau international et tout forage y est interdit.

Figure 5 Répartition géographique des retenues d’ea u naturelles

Souvent à des fins industrielles, l’Homme a créé de nombreuses réserves d’eau douce (production d’électricité notamment). Ces barrages servent aussi à réguler les crues de certains fleuves comme le Nil. Lorsque le cours du fleuve traverse plusieurs pays, la création d’un barrage pénalise les pays en aval, entraînant souvent des conflits.


Figure 6 Répartition géographique des retenues d’ea u artificielles

1.2.2 Répartition inégale de l’eau salée et de l’ea u douce Si l’on ne considère que l’eau douce, cette ressource vitale apparaît vite comme un bien très précieux :

• 97% de l’eau est salée

• 2% de l’eau est bien de l’eau douce, mais sous forme de glace

• Et seulement 1% est de l’eau douce sous forme liquide (la majorité se trouvant dans les nappes souterraines)

Figure 7 Répartition inégale entre l’eau salée et l ’eau douce

1.2.3 Quelques chiffres sur l’eau en France Il tombe en moyenne 440 milliards de m3 d’eau sur la France chaque année, sous forme de pluie ou de neige (soit 440 km3). Même si ce chiffre paraît très grand, cela ne représente en moyenne que 80cm d’eau par m2 et par an (à comparer avec l’Amazonie et ses 10 mètres par m2 par an, et le désert de Gobi avec moins de 1,5 cm par an les meilleures années).


L’ensemble des cours d’eau s’étend sur 270 000 km. L’eau sous forme retenue (lacs, barrages, etc) représente 107km3. On estime à 2 000 km3 la quantité d’eau présente dans les nappes souterraines. La répartition de ces nappes n’est pas très homogène : certaines régions possèdent de grandes réserves comme l’Alsace ou la Beauce et d’autres presque rien.

Figure 8 L’eau en France

1.3 COMMENT L’EAU EST-ELLE APPARUE SUR TERRE ?

Il n’y a pas aujourd’hui de certitude absolue en ce qui concerne l’origine de l’eau sur Terre ou sur les autres corps du système solaire. Plusieurs théories s’opposent : la réalité est certainement une combinaison de chacune de ces théories, avec pour chaque objet du système solaire une répartition différente liée à son histoire et à sa position par rapport au soleil. Voici ces théories, présentées dans l’ordre chronologique par rapport à la naissance de la Terre.

1.3.1 Répartition de l’eau lors de la création du s ystème solaire Le système solaire est apparu il y a 4,6 milliards d’années à partir de la condensation d’un nuage stellaire de gaz et de poussières (74% d’hydrogène et 24% d’hélium, 0,95% de glace d’eau, 0,5% de glace de méthane, 0,05% de glace d’ammoniac, et 0,4% de silicates (roches)) A partir du disque de poussière qui s’est tout d’abord formé, le soleil, les corps principaux et les corpuscules se sont agrégés. Lorsque que le soleil a atteint une taille suffisante, les réactions thermonucléaires ont démarré : le reste du gaz présent dans le système solaire (qui n’avait pas encore été intégré dans de petits corps ou les planètes gazeuses) a été emporté par le vent solaire. En ce qui concerne l’eau, si l’on peut considérer qu’elle devait être répartie de façon homogène dans la nébuleuse primordiale sous forme de glace autour de grains de poussières rocheux (silicates), c’est la distance par rapport au soleil qui va décider de son sort. Trop proche du soleil, elle ne pourra pas se condenser sous forme de blocs de glace. Elle sera vaporisée en grande partie. Le reste, protégé par des blocs rocheux et métalliques déjà condensés, se retrouvera dans le manteau des planètes rocheuses (Mercure, Vénus, la terre et Mars). Passée la distance actuelle de Mars, la chaleur est à la fois suffisante et assez faible pour que les planètes gazeuses apparaissent. L’eau commence à s’y trouver en assez grande quantité, sous forme de vapeur et de glace.

CChhaappii tt rree 66 LL’’EEAAUU AA LL’’EETTAATT GGAAZZEEUUXX

Expérience 62 Qu’est-ce qui favorise l’évaporation de l’eau ?

Qu’est-ce qui favorise l’évaporation de l’eau ?

Objectifs de l’expérience Montrer que l’évaporation de l’eau concerne plusieurs paramètres

Préparation de l’expérience Il vous faut :

• Deux verres identiques • Deux assiettes plates identiques • Du film transparent pou emballer les aliments

Réalisation Remplir les assiettes et les verres avec la même quantité d’eau (2 cm d’eau dans le verre et transféré ensuite dans les assiettes pour simplifier la mesure). Couvrir un des deux verres et une des deux assiettes avec du film transparent. Poser les deux verres et les deux assiettes les uns à côté des autres et attendre. Observer ce qui se passe pour les niveaux d’eau de chacun des verres et assiettes. Attention il peut falloir plusieurs jours en fonction de la température de la pièce.

Mesures et constatations L’eau de l’assiette à l’air libre s’évapore en premier. Vient ensuite le verre non fermé par le film transparent. Les niveaux n’ont presque pas baissé dans l’assiette et le verre fermé par un film transparent. Des gouttes se sont formées sur le plastique, et sont retombées dans l’eau. Il est également possible de comparer comment s’évapore l’eau placé dans des assiettes ou verres d’eau à l’intérieur d’une pièce, et d’autres à l’extérieur, à l’ombre, au soleil, ou au vent.

Pour aller plus loin Dans une salle de bain avec beaucoup de vapeur (après un bain ou une douche), posez quelques gouttes d’eau bien étalées sur une assiette. Comparez le comportement par rapport à la même assiette posée dans une pièce sèche. L’assiette dans la salle de bain ne va pas sécher, voire même se couvrir de plus d’eau qu’il n’y en avait au départ !


6.1 QU’EST QUE L’EVAPORATION ?

L’eau liquide est constituée de molécules qui se réorganisent en permanence et qui se déplacent. En fonction de la température de l’eau ces molécules sont plus ou moins agitées. Quel que soit la température du liquide, certaines molécules atteindront la surface avec suffisamment d’énergie pour se libérer des liaisons qu’elles avaient établies avec d’autres molécules d’eau. La plupart retombent dans l’eau, mais en fonction de leur vitesse, elles peuvent également être emportées loin du récipient. Petit à petit le niveau du liquide baisse, même si on ne chauffe pas le liquide : c’est l’évaporation.

Figure 113 Les molécules d’eau en surface peuvent q uitter le liquide

6.1.1 Qu’est-ce qui favorise l’évaporation ? Plus la surface de contact avec l’air est grande, plus l’évaporation est importante car de nombreuses molécules pourront s’échapper simultanément. Le même volume d’eau s’évaporera plus rapidement d’une assiette que d’un verre. L’eau s’évapore encore plus facilement s’il y a du vent car cela permet d’éloigner les molécules qui se sont libérées du liquide et les empêchent de retomber dans le récipient. Dernier facteur qui favorise l’évaporation, la température du liquide. Plus le liquide est chaud, plus l’énergie transmise aux molécules est importante et favorise leur échappement.


Figure 114 Certains facteurs favorisent l’évaporati on naturelle

6.1.2 Qu’est-ce qui défavorise l’évaporation ? Mais même une assiette avec très peu d’eau aura du mal à s’évaporer dans une salle de bain avec beaucoup de vapeur (après un bain ou une douche). L’air est saturé de vapeur d’eau et les échanges sont équilibrés entre le liquide et la vapeur : il y autant de molécules qui quittent le liquide que de molécules qui le rejoignent. A partir d’un air saturé en eau mais en équilibre au niveau des échanges, des modifications de l’environnement peuvent favoriser la condensation ou la saturation. Si la température de l’air varie, cela va modifier l’équilibre et réduire ou augmenter les échanges dans un sens ou dans l’autre, et ce jusqu’à ce qu’un nouvel équilibre se trouve. Si la température de l’air augmente , une plus grande quantité de vapeur pourra être évaporée.

Figure 115 Une hausse de la température de l’air fa vorise l’évaporation

Si la température de l’air baisse , une moins grande quantité de vapeur sera supportée. La différence de quantité vapeur se condensera sous forme de gouttelettes ou de cristaux de glace (nuage, brouillard, pluie, rosée, grêle, etc.).


Figure 116 Une baisse de la température de l’air fa vorise la

condensation

La quantité de vapeur d’eau qui peut se trouver dans l’air correspond à un seuil précis qui est fonction de la température de l’air : la vapeur d’eau saturante. Plus la température est élevée, plus la quantité d’eau vaporisée est importante En dessous de ce seuil, de l’eau peut se transformer en vapeur et la vapeur ne condensera pas. Au-dessus de ce seuil, la vapeur condensera et l’eau ne s’évaporera pas.

Figure 117 Courbe de vapeur d’eau saturante et effe t sur la

condensation et l’évaporation


6.2 L’EAU COUVERTE D’HUILE S’EVAPORE DIFFICILEMENT

Expérience 63 L’huile empêche l’eau de s’évaporer

Il suffit de couvrir l’eau de très peu d’huile pour l’empêcher de s’évaporer. L’huile de son côté ne s’évapore pas car les molécules d’huiles sont de trop grandes tailles et très liées les unes avec les autres. L’huile permet également de bloquer les odeurs stockées dans l’eau et les empêche de se volatiliser. Si la surface est assez grande, l’huile se répand jusqu’à ne plus former qu’une mono couche, c'est-à-dire une couche épaisse d’une seule molécule. C’est ce qu’à expérimenté Benjamin Franklin au 18ème siècle : en versant une cuillère d’huile sur un étang en Angleterre, il a constaté que l’huile s’était rapidement répandu sur près de 2 000 m2 ! Connaissant le volume d’huile dans la cuillère et la surface sur laquelle elle s’est étalée, cette simple expérience a permis cent ans plus tard de déterminer pour la première fois la taille d’une molécule.

Figure 118 Mesurer la taille d’une molécule d’huile

L’eau ne s’évapore pas si elle est couverte d’huile

Objectifs de l’expérience Montrer que l’huile peut empêcher l’eau de s’évaporer


• Deux verres assez larges et identiques remplis d’un centimètre d’eau • De l’huile

Réalisation Mettre une couche d’huile à la surface de l’eau d’un des deux verres. Laissez les deux verres l’un à côté de l’autre le temps pour l’eau de s’évaporer.

Mesures et constatations Le verre d’eau sans huile s’évapore en quelques jours, alors que le niveau du verre couvert d’huile ne change pas.

Pour aller plus loin Mettre de l’eau de fleur d’oranger dans les deux verres avant de couvrir la surface d’un des deux verres avec de l’huile. Le verre sans huile laisse s’envoler les odeurs de fleur d’oranger alors que le verre couvert d’huile ne les laisse pas passer.


6.3 LA VAPEUR DANS L ’AIR

Expérience 64 Faire apparaître de la condensation d ans un verre en

soufflant dedans

Il y a habituellement plus de 50% d’humidité dans l’air ambiant. C’est une fois encore une approximation au niveau du langage lorsque que l’on dit voir de la vapeur d’eau : la vapeur d’eau est invisible et lorsque l’on pense la voir, il s’agit en fait d’eau déjà condensée sous forme de fines gouttelettes, mais plus de vapeur d’eau. La vapeur d’eau n’est visible que sous la forme de brouillard (micro gouttelettes d’eau) lorsque le seuil de saturation est dépassé et que la vapeur peut se condenser. C’est ce qui se produit dans un bain de vapeur ou dans une salle de bain après une douche : l’air est alors saturé de vapeur d’eau et le surplus ne peut que se condenser et être alors visble.

6.3.1 Vapeur d’eau et condensation au-dessus d’une casserole Pourquoi alors, au-dessus d’une casserole ou d’une cocotte-minute voit-on un nuage de vapeur, mais que ce nuage disparaît très rapidement ? On peut séparer l’air au-dessus de la casserole en trois parties :

• Entre l’eau et le brouillard, la quantité de vapeur d’eau est très importante mais insuffisante pour condenser car la température est suffisamment élevée. Cette partie peut-être plus ou moins haute, mais ne dépasse pas le haut de la casserole car au-dessus, l’air refroidit relativement vite.

• Au-dessus de la casserole, l’air refroidit rapidement : les molécules d’eau ont suffisamment d’énergie pour s’éloigner rapidement et l’air turbulent se mélange avec celui de la cuisine, plus froid. Le brouillard apparaît car la quantité de vapeur d’eau au centimètre cube est supérieure au seuil de saturation pour cette température. Le nuage de vapeur est changeant car la température ainsi que la quantité de vapeur d’eau varie en continue dans chaque centimètre cube. Il a tout de même une forme globalement fixe qui est celle d’un ballon de baudruche dont la base est au niveau de la casserole. Plus on s’approche du bord du nuage de vapeur, et plus la quantité de vapeur d’eau

Faire apparaître de la condensation dans un verre

Objectifs de l’expérience Montrer que la chaleur joue sur l’apparition ou pas de condensation


• Un verre vide • Un robinet d’eau chaude

Réalisation Souffler dans le verre comme si vous vouliez faire apparaître de la buée sur une vitre. Observez l’intérieur du verre. Laissez la buée disparaître. Passez l’extérieur du verre sous l’eau chaude pendant 30s. Attention à ne pas faire rentrer d’eau dans le verre. Soufflez à nouveau dans le verre comme pour faire apparaître de la buée. Observez.

Mesures et constatations Dans le verre à température ambiante, de la buée est apparue. Mais dans le verre précédemment passé sous l’eau chaude, aucune buée n’est apparue sur les bords du verre. Il suffit de laisser le verre refroidir pour que la buée apparaisse à nouveau si on souffle dans le verre.


par centimètre cube diminue. Mais la température diminue également, ce qui permet à la vapeur d’être toujours visible

• Il arrive quand même un seuil où la température a considérablement baissé, en se rapprochant de celle de la pièce (passant de 100° à 20° en quelques dizaines de centimètres !) et où la vapeur d’eau est inférieure au seuil de saturation : c’est la limite du nuage de brouillard.

Figure 119 Le brouillard au-dessus d’une casserole d’eau bouillante

est complexe

La vapeur d’eau échappée d’une casserole est bien toujours présente dans l’air même si on ne la voit plus. Il suffit d’une vitre assez froide à quelques mètres de la casserole pour la voir se condenser à nouveau.

Figure 120 La vapeur échappée de la casserole se co ndense à

nouveau sur une vitre froide


Le même phénomène peut être constaté sur une cocotte-minute, au-dessus de la buse d’évacuation de la vapeur. La vapeur d’eau ne condense pas immédiatement en sortie de la buse, mais environ un centimètre au-dessus de la buse, lorsque la température de la vapeur a suffisamment baissée pour que le taux d’humidité dépasse le seuil de saturation.

Figure 121 A la sortie de la cocotte-minute on voit la vapeur d’eau et la

vapeur d’eau condensée

Si l’on reprend l’Expérience 64, il est facile de comprendre ce qui se passe : quand le verre est passé sous l’eau chaude, l’air à proximité de la paroi du verre a une température supérieure à celle du verre. Cette zone très fine a un seuil de saturation supérieur à celui de la même zone quand le verre n’a pas été chauffé : elle accepte donc plus de vapeur, et il n’y a pas condensation sur les bords du verre.

6.4 EVAPORATION FORCEE DE L ’EAU EN LA CHAUFFANT

L’eau s’évapore donc même pour des températures assez basses. Si on la chauffe, même sans la faire bouillir, on transfère plus d’énergie aux molécules d’eau qui pourront plus facilement quitter le liquide et se transformer en vapeur. Mais l’évaporation ne doit pas être confondue avec l’ébullition.


6.5 POURQUOI VOIT-ON DES BULLES QUAND L ’EAU BOUT ?

Expérience 65 De l’air dissout dans l’eau se libère naturellement avec le

temps

L’ébullition correspond à un état où l’on fournit suffisamment d’énergie à un volume d’eau pour que toute ou partie se transforme en vapeur d’eau. Dans la phase d’ébullition, plusieurs types de bulles sont visibles :

• Les premières correspondent à l’évacuation de l’air dissout dans l’eau. Ce sont de petites bulles qui apparaissent rapidement et cessent dès que l’air dissout dans l’eau a été évacué

• Viennent ensuite de grosses bulles qui naissent au fond de la casserole car c’est là que la température atteint en premier les 100°. Elles se condensent rapidement, sans remonter totalement à la surface, au contact des couches supérieures plus froides, et en faisant le bruit caractéristique de l’eau qui commence à frémir. Tout comme pour l’eau gazeuse ou pour le champagne, les bulles se forment plus facilement sur les bords du récipient où de microbulles d’air sont piégées par des saletés, ou dans le liquide si de petites impuretés flottent.

• Lorsque tout le volume d’eau atteint les 100°, l’en semble des molécules a le potentiel énergétique pour s’échapper. Les bulles peuvent maintenant remonter totalement, et grossir sur le trajet vers la surface en hébergeant de plus en plus de molécules d’eau. Une fois en surface, elles éclatent en libérant toutes les molécules d’eau dans l’air sous forme de vapeur.

De l’air dissout dans l’eau se libère naturellement

Objectifs de l’expérience Montrer qu’il y a de l’air dissout dans l’eau et qu’il se libère naturellement dans un temps assez court


• Un grand verre d’eau froide du robinet

Réalisation Remplir le verre d’eau aux trois quarts. Observer qu’il n’y a pas de bulles sur le bord du verre. Le laisser reposer quelques heures et observer.

Mesures et constatations Les parois intérieures du verre se sont couvertes de petites bulles d’air et pourtant il n’y a pas eu ébullition. Les bulles d’air contiennent de l’air qui était dissout dans l’eau et qui s’est libéré au niveau des bulles d’air emprisonnées par des impuretés sur les parois lors du remplissage du verre. Ces bulles ne sont pas des bulles de vapeur d’eau.


Figure 122 Les trois étapes d’apparition de bulles dans une casserole

d’eau qui bout

6.6 POURQUOI L’EAU FAIT-ELLE DU BRUIT QUAND ELLE BOUT ?

Durant le processus d’ébullition l’eau fait du bruit uniquement lors de l’étape 2 (voir Figure 122). Quand une bulle créée dans la zone à 100° au fond d u récipient commence à remonter en surface, elle rencontre rapidement des couches d’eau dont la température est inférieure à 100°. La vapeur d’eau de la bulle ne peut pas rester sous cette forme et se condense presque instantanément. L’espace occupé par la vapeur d’eau à 100° est bien supérieur à l’espace occupé par les mêmes molécules condensées sous forme d’eau liquide. Quand l’eau se condense, cela laisse un « trou » dans l’eau à l’endroit où se trouvait la bulle, dans lequel se précipite le liquide qui se trouvait autour de cette bulle. C’est la disparition de la bulle et le remplissage presque instantané par les molécules d’eau de l’espace laissé par la condensation de la vapeur qui provoque ce bruit sourd. L’ensemble des bruits créés par les bulles qui collapsent est la cause du frémissement de l’eau que l’on peut entendre. Quand il y a suffisamment de bulles qui disparaissent en même temps, la casserole se met également à vibrer.


Figure 123 Les bulles de vapeur qui collapsent prov oquent le bruit de

frémissement

Une fois la température de l’eau uniformément à 100° (étape 3 de la Figure 122), les bulles formées au fond de la casserole peuvent aller jusqu’en surface et ne collapsent plus. Le seul bruit est alors celui des bulles qui éclatent en surface.

6.7 GONFLER UN BALLON AVEC DE L ’EAU CHAUDE

Expérience 66 Comment gonfler un ballon avec de l’e au chaude

Comment gonfler un ballon avec de l’eau chaude

Objectifs de l’expérience Montrer que l’air chaud occupe plus de place que l’air froid


• Une grande bouteille d’eau minérale en plastique vide • Un ballon de baudruche • Un grand seau • De l’eau très chaude • Du sable

Réalisation Remplir le fond de la bouteille de 10 cm de sable ou de cailloux. Elle tiendra plus facilement verticalement dans l’eau. Poser le ballon de baudruche sur le goulot de la bouteille d’eau minérale. Il doit pendre sur le côté de la bouteille. Remplir le seau avec de l’eau très chaude. Poser la bouteille dans le seau. Observer le comportement du ballon.

Mesures et constatations Le ballon se remplit d’air assez rapidement et se redresse.

Pour aller plus loin Poser la bouteille d’eau avec le ballon gonflé grâce à l’eau chaude dans un saladier remplit d’eau et de glaçon (ou le laisser simplement à température ambiante). L’air dans la bouteille se refroidit et le ballon se dégonfle.

CChhaappii tt rree 1111 EEAAUU,, OONNDDEESS EETT SSOONN

11.1 QU’EST-CE QUE LE SON ?


Expérience 111 Le son déplace de l’air

Les ondes sonores correspondent à la vibration d’un support qui se propage de proche en proche grâce aux propriétés élastiques du milieu. Le son est un transfert d’énergie sans déplacement de matière. Si elle reste toujours basée sur le même principe, la propagation de l’onde sonore varie suivant que le milieu est compressible (air, etc) ou incompressible (eau, acier, etc). Pour un milieu compressible (le plus souvent un fluide), l’onde sonore se déplace sous la forme d’une variation de pression. Sans se déplacer réellement, les molécules présentes dans le milieu peuvent osciller autour de leur position d’origine en avançant et reculant d’une ou deux tailles, mais en revenant toujours à la position d’origine. Par exemple pour un haut-parleur, la membrane externe avance et recule en fonction du son à émettre, ce qui génère une surpression ou une dépression pour les molécules en contact avec elles. De proche en proche cette variation de pression se propage aux autres molécules en s’éloignant du haut-parleur.

Figure 336 Propagation d’une onde sonore dans un mi lieu

compressible

Le son déplace de l’air

Objectifs de l’expérience Observer comment le son déplace de l’air


• Une chaine hifi avec des enceintes • Une feuille de papier toilette

Réalisation Allumer la chaine hifi et faire sortir de la musique par le haut-parleur. Tenir verticalement le morceau de papier toilette devant le haut-parleur (en évitant que la feuille ne le touche). Observer le papier. Faire varier la puissance du son ou sa hauteur (grave et aigu) et observer comment se comporte le papier.

Mesures et constatations Le papier bouge avec le son qui sort de l’enceinte. Essayer de faire varier la puissance sonore qui sort de l’enceinte et le type de son (plus grave ou plus aigu). La même expérience peut être réalisée en remplaçant la feuille de papier par une bougie allumée posée devant l’enceinte.


L’avancement de l’onde correspond à la succession des zones de compression et de raréfaction. Ces zones passent successivement d’un état à l’autre, permettant à l’onde d’avancer.

Figure 337 Le déplacement d’une onde sonore

Dans un milieu non compressible, les molécules ont moins de liberté. Leurs déplacements relatifs sont d’autant plus limités que le milieu est dense et solide. Le déplacement de l’onde se fait également grâce au déplacement des atomes ou molécules, mais sur des distances beaucoup plus faibles.

11.1.1 Caractéristiques d’une onde sonore L’onde sonore se distingue de l’onde lumineuse dans le sens où elle nécessite de la matière pour se propager, alors que l’onde lumineuse, portée par des photons, peut se déplacer même dans le vide.


Figure 338 Les ondes sonores ne se propagent pas da ns le vide

Une onde sonore répond aux mêmes caractéristiques descriptives qu’une onde lumineuse, à savoir sa fréquence / période et sa longueur d’onde. Pour les ondes lumineuses, la fréquence permet de distinguer les différentes composantes du spectre lumineux (infra rouge, ultraviolet, visible, etc). Pour une onde sonore, la fréquence déterminera si le son est plus ou moins aigu, et si l’oreille humaine pourra l’entendre ou non.

Figure 339 La fréquence d’une onde sonore détermine comment elle

sera ressentie par l’oreille humaine

Chaque créature terrestre ressent différemment les ondes sonores, dans des bandes de fréquence plus ou moins larges, et sous forme de son ou juste de vibration.

Figure 340 Les créatures terrestres ressentent diff éremment les ondes

sonores


11.2 VITESSE DU SON DANS L ’EAU

Expérience 112 Le son est différent dans l’eau et d ans l’air

Plus un milieu est compressible, plus la vitesse de propagation de l’onde sonore est faible. L’air est beaucoup plus compressible que l’eau et la propagation du son y sera plus lente. L’acier est encore plus dense et encore moins compressible : le son s’y propagera presque 15 fois plus rapidement. Le tableau suivant montre la vitesse moyenne de propagation du son dans quelques milieux :

Milieu Vitesse du son (mètre par seconde)

Air 340

Hélium 970

Eau douce 1 430

Eau de mer 1 550

Acier 5 000

Tableau 5 Vitesse du son dans quelques matériaux

La vitesse du son varie également de façon importante avec la température de l’air : dans un air à 0°C, le son se déplace à une vitesse de 331 mètres par seconde, et à une vitesse de 343 mètres par seconde dans un air à 20°C.

Le son est différent dans l’eau et dans l’air

Objectifs de l’expérience Observer comment le son se diffuse dans de l’eau et dans de l’air


• 2 ballons de baudruche • De l’eau

Réalisation Gonfler le premier ballon avec de l’air, et remplir le second avec de l’eau. Positionner le ballon avec de l’air contre son oreille et donner un petit coup léger avec le doigt de l’autre côté du ballon. Faire la même chose avec le ballon plein d’eau.

Mesures et constatations Le son est perçu beaucoup mieux avec le ballon rempli d’eau qu’avec le ballon remplir d’air.


11.3 ONDES SONORES ET VIBRATIONS

Expérience 113 Faire danser du sel au son de la voi x

Le son produit par la voix se déplace dans l’air. L’onde finit par rencontrer le saladier et le fait vibrer. Cette vibration se propage jusqu’au au film tendu. Si ces vibrations sont habituellement imperceptibles, elles deviennent parfaitement visibles avec la présence du sel car elles lui transfèrent une partie de leur énergie qui se transforme en énergie cinétique/potentielle : les grains de sel se déplacent alors verticalement. La vibration du saladier et de la membrane est d’autant plus importante que la fréquence de l’onde sonore est proche de la fréquence propre du système saladier / membrane. L’énergie transmise aux grains de sel sera alors d’autant plus forte. Connaître la conductivité sonore des matériaux est importante pour réaliser de bonnes isolations. L’isolation correspond à la capacité d’un matériau à absorber les ondes sonores, sans les restituer. Dans cet exemple, si le système saladier était constitué d’un bon isolant sonore (par exemple de la mousse), les grains de sel ne bougeraient pas ou presque pas.

Faire danser du sel au son de la voix

Objectifs de l’expérience Observer comment le son fait vibrer les objets


• un petit saladier • du film alimentaire • du sel

Réalisation Couvrir le saladier avec un morceau bien tendu de film alimentaire L’ensemble doit ressembler à un petit tambour. Poser une fine couche de sel sur le film tendu. S’approcher du bocal et parler à voix plus ou moins forte ou faire claquer ses mains l’une contre l’autre : comment se comporte le sel ?

Mesures et constatations Le sel en surface du film saute en rythme avec votre voix.

Pour aller plus loin Cette même expérience peut être réalisée à plus grande échelle avec un tambour ou un tambourin et des billes de polystyrène. Au lieu de la voix, essayer de faire danser le sel au rythme de différentes sortes de musique : quelles sont celles qui donnent les meilleurs résultats ?


Figure 341 Comment la voix fait sauter des grains d e sel

11.4 VERRE ET ONDES SONORES

11.4.1 Du son en frottant le bord d’un verre

Expérience 114 Un verre qui chante

Même s’il semble à priori rigide et fragile, le verre est un matériau qui vibre facilement et peut se déformer légèrement sans se briser. Quand on frappe un verre, il émet un son dont la hauteur dépend de sa fréquence propre. La vibration déforme imperceptiblement le verre qui perd sa forme circulaire (vu de dessus) : les parois s’éloignent et se rapproche successivement du centre La forme circulaire du verre permet à la vibration de vivre si elle est à la bonne fréquence, c'est-à-dire si le verre peut vibrer suivant l’un de ses modes propres : dans ce cas les déformations des parois du verre n’interfèrent pas les unes avec les autres et peuvent durer plusieurs secondes.

Un verre qui chante

Objectifs de l’expérience Observer comment un verre peut émettre un son s’il est frotté à la bonne vitesse


• Un verre à pied (l’idéal étant un verre en cristal qui sonne pendant plusieurs secondes après avoir été choqué légèrement avec le doigt)

• De l’eau

Réalisation Remplir le verre en cristal avec un ou deux centimètres d’eau. Si besoin, en fonction de la forme du verre et de la qualité du cristal, il faudra augmenter ou réduire cette quantité d’eau pour obtenir le son correct. Mouiller son doigt pour faciliter le frottement. Poser son doigt sur le bord du verre et le faire glisser lentement (il faut adapter la vitesse du frottement à la fréquence sépcifique du verre).

Mesures et constatations Lorsque la bonne quantité d’eau se trouve dans le verre, et que le doigt glisse à la bonne vitesse sur le bord, un son se fait entendre, dont la tonalité est la même que celle obtenue quand on frappe légèrement le verre avec le doigt. Ce son persiste quelques secondes après l’arrêt du frottement.

CChhaappii tt rree 1122 LL’’EEAAUU AA LLAA PPRREESSSSIIOONN

12.1 PEUT-ON COMPRESSER DE L’EAU ?


Expérience 119 Compresser de l’eau et de l’air

Les molécules ou atomes d’un gaz se déplacent en ligne droite, jusqu’à rencontrer un obstacle. Cet obstacle est soit une autre molécule / atome de ce gaz, soit les parois du volume qui contient le gaz. Dans les deux cas, les molécules ne peuvent pas continuer dans la direction initiale et rebondissent dans une autre direction. Cela explique pourquoi un gaz occupe tout l’espace disponible : les molécules se déplacent de façon rectiligne dans tout cet espace jusqu’à rencontrer un obstacle. En rebondissant sur la paroi du volume qui les contient, les molécules / atomes repoussent cet obstacle : les milliards de molécules qui percutent à chaque seconde la paroi représentent ce que l’on appelle la pression du gaz.

Figure 350 Les molécules du gaz se percutent en per manence

Compresser de l’eau et de l’air

Objectifs de l’expérience Observer si l’eau peut être compressée


• De l’eau • Une seringue sans aiguille

Réalisation Avec de l’air : Tirer le piston de la seringue pour aspirer de l’air. Boucher la seringue avec un doigt. Pousser le piston en gardant la seringue bouchée. Observer si l’air peut être compressé. Avec de l’eau : Tirer le piston de la seringue pour aspirer de l’eau Boucher la seringue avec un doigt. Pousser le piston en gardant la seringue bouchée. Observer si l’eau peut être compressée.

Mesures et constatations L’air peut être compressé. Il arrive un moment où l’on sent nettement que la compression n’est plus possible, du moins avec la force que la main peut appliquer. L’eau est très peu compressible. Même en forçant, il n’est pas possible de réduire le volume d’eau dans la seringue.


Figure 351 Les molécules du gaz percutent les paroi s du volume qui

les contient

Cette pression varie suivant : • La température du gaz : si un gaz est chaud, c’est que ses composants ont

beaucoup d’énergie et se déplacent rapidement. Les rencontres avec les parois du volume seront plus énergétiques et la force de pression appliquée sur la paroi sera d’autant plus importante.

• Le nombre de molécules / atomes présents dans le volume : plus le nombre de molécules / atomes sera important, plus les chocs avec les parois seront fréquents et la pression sera d’autant plus importante

Figure 352 La pression varie avec la densité du gaz et l’énergie des

molécules et atomes

Prenons le cas d’un ballon de baudruche. Plus on le gonfle, plus le nombre de molécules présentes dans le ballon augmente. Ces molécules sont plus nombreuses à frapper les parois du ballon et les repoussent vers l’extérieur : le ballon se gonfle.


Si on met de l’air chaud dans le ballon, il se gonflera plus rapidement car les molécules auront plus de force pour repousser les parois. En se refroidissant, les molécules d’air repousseront les parois avec de moins en moins de force, et le volume du ballon diminuera.

Figure 353 La pression d’un ballon de baudruche

Les molécules d’air sont libres il y a beaucoup d’espace entre chacune d’elles. En les compressant, il est donc possible de les rapprocher. Ce n’est pas le cas des molécules d’eau : elles sont liées entre elles et très proches les unes des autres. Il n’est pas possible de les rapprocher plus qu’elles ne le sont déjà.

Figure 354 Compression d’un gaz et compression de l ’eau

12.1.1 Variation de la température liée à la pressi on La température d’un gaz augmente quand on le comprime, et diminue lorsqu’on le libère (on dit que le gaz se détend). En comprimant le gaz, les molécules d’air sont plus proches les unes des autres et s’entrechoquent plus souvent : c’est ce qui provoque l’augmentation de la température. A l’inverse, quand le gaz dispose de plus d’espace, les collisions sont moins fréquentes. Un moyen simple de vérifier cette règle, c’est de pomper de l’air avec une pompe à vélo. Après une dizaine de coups, le corps de la pompe est plus chaud. Une partie de l’énergie fournie lors de la poussée de la pompe est stockée par le gaz comprimé. Lors du mouvement inverse de la pompe, le gaz se refroidit et restitue une partie de cette énergie au corps de la pompe.


Figure 355 La température du gaz varie avec la pres sion : exemple de

la pompe à vélo

Dans un gaz, la relation se fait entre la pression, le volume et la température. La modification d’un des paramètres entraîne la modification des deux autres (loi des gaz parfaits).

Figure 356 Dans un gaz il y a relation entre pressi on, volume et

température


12.2 LA PRESSION ATMOSPHERIQUE

Expérience 120 La bouteille est percée, mais l’eau ne coule pas

Expérience 121 L’eau refuse de sortir du verre

12.2.1 L’atmosphère terrestre L’atmosphère terrestre est loin d’être uniforme : sa densité et sa température varient en fonction de l’altitude.

Quand l’eau refuse de sortir du verre

Objectifs de l’expérience Montrer que la pression atmosphérique peut empêcher l’eau de couler d’un verre renversé


• Un grand verre • De l’eau • Un élastique • Un morceau de collant suffisamment grand pour recouvrir le dessus du verre

Réalisation Couvrir le dessus du verre avec le morceau de collant en laissant dépasser deux centimètres sur les bords extérieurs. Faire tenir solidement le collant sur le verre avec un élastique. Remplir le verre à travers le collant jusqu’aux trois quarts. Prendre le verre en main et le retourner d’un coup sec. Le maintenir tête en bas.

Mesures et constatations Il est possible de remplir le verre à travers le collant : l’eau passe à travers. Mais quand on retourne le verre, l’eau reste à l’intérieur du verre.

La bouteille est percée mais l’eau ne coule pas

Objectifs de l’expérience Observer comment la pression atmosphérique empêche l’eau de couler d’une bouteille


• Une bouteille en plastique vide avec son bouchon • De l’eau • Une punaise

Réalisation Remplir la bouteille d’eau en laissant quelques centimètres de libre. La fermer avec le bouchon. Cinq centimètres sous le niveau de l’eau, planter la punaise pour percer un trou, puis la retirer. Observer si l’eau coule par le trou. Enlever le bouchon de la bouteille, et observer si l’eau coule par le trou.

Mesures et constatations Tant que le bouchon est présent sur la bouteille, l’eau ne coule pas ou très peu. Dès que l’on enlève le bouchon, un filet d’eau s’échappe distinctement de la bouteille.


L’épaisseur des couches de l’atmosphère varie également en fonction de la latitude (maximum à l’équateur, et minimum aux pôles). La température baisse au fur et à mesure que l’on monte en altitude, sauf dans la troposphère où la température remonte un peu avant de redescendre dans la couche suivante. La densité quant à elle diminue régulièrement avec l’altitude. La moitié de la masse de l’atmosphère terrestre est comprise dans les cinq premiers kilomètres d’altitude, et 90% dans les 10 premiers kilomètres. La limite de l’espace est habituellement placée à 120km, car c’est là que l’on constate les premiers échauffements lors des rentrées dans l’atmosphère des vaisseaux spatiaux. Ils sont dus aux frottements sur les rares molécules qui sont encore présentes à cette altitude. On trouve toutefois des molécules jusqu’à plusieurs dizaines de milliers de kilomètres. En moyenne, une molécule parcourt 0,0001 mm au niveau de la mer avant de rencontrer une autre molécule. Ce chiffre passe à 10m à 150km d’altitude !

Figure 357 La densité et la température varient ave c l’altitude

Pour chaque couche, la variation de températures s’explique différemment : • Troposphère : La chaleur provient de l’infrarouge du rayonnement solaire, absorbé

puis restitué par la terre. C’est pour cela que les couches les plus proches du sol sont aussi les plus chaudes et que la température diminue avec l’altitude

• Stratosphère : Les rayons ultra-violets sont absorbés par la couche d’ozone ce qui libère de la chaleur. Les rayons ultra-violets arrivant par le haut, ils sont absorbés en premier par les couches supérieures qui ont des températures élevées

• Mésosphère : Une partie du rayonnement est absorbé par le CO2 et restitué sous forme de photons dans toutes les directions, y compris vers l’espace. Cette absorption tire son énergie de la température de l’air.

• Thermosphère : La dissociation de molécules en atomes (l’oxygène moléculaire en oxygène atomique par exemple) par le rayonnement transforme l’énergie de ce rayonnement en chaleur.

Entre chaque couche, une zone variable de plusieurs kilomètres existe et dont la température est à l’équilibre entre les deux couches (tropopause, stratopause, etc).


Figure 405 Vidange : pourquoi le phénomène s’arrête

Le siphon peut également fonctionner en partie par gravité si le tuyau de sortie ne dépasse pas le niveau de l’eau. On parle alors de siphon inversé. Le réservoir d’où sort l’eau est appelé réservoir de chasse, et le réservoir d’arrivée, réservoir de fuite. Le siphonage s’opère sans besoin d’amorçage externe : l’eau pénètre dans le tuyau depuis le réservoir de chasse par simple gravité. Le phénomène continue tant que le niveau d’eau du réservoir de chasse est supérieur à celui du réservoir de fuite.

Figure 406 Siphon inversé

Depuis l’antiquité, le siphon inversé est utilisé dans les aqueducs pour passer certaines vallées. Quand la vallée est trop profonde ou trop large, la construction d’un aqueduc fonctionnant par simple gravitation serait trop complexe (hauteur et longueur de l’ouvrage à réaliser impossible avec les moyens de l’époque).


Figure 407 Un aqueduc par gravitation ne peut pas t oujours être utilisé

En utilisant un siphon inversé pour franchir la vallée, la taille de l’ouvrage est bien inférieure. La pression est très importante dans les canalisations et impose que le flux d’eau de l’aqueduc initial soit séparé en plusieurs flux de tailles moins importantes. On utilise pour cela des tuyaux en plomb sur toute la longueur du pont siphon, alors que dans la partie gravitationnelle de l’aqueduc, l’eau est simplement guidée par un ouvrage en pierre. Il ne reste que très peu d’ouvrages de ce type. Le nombre de réalisation a été faible car le coût des tuyaux en plomb imposait souvent une solution moins coûteuse de contournement. Un des plus beaux exemples reste celui du Gier, près de Lyon qui comporte quatre passages de vallée avec siphon inversé.

Figure 408 Franchissement d’une vallée trop profond e avec un siphon

inversé

CChhaappii tt rree 1144 EEAAUU,, EELLEECCTTRRIICCIITTEE EETT MMAAGGNNEETTIISSMMEE

14.1 PILE ELECTRIQUE

14.1.1 Qu’est-ce qu’une pile électrique? Une pile est un montage mécanique et chimique qui permet de transformer de l’énergie stockée sous forme chimique dans deux éléments différents en courant continu exploitable. L’opération qui réalisée cette transformation est une réaction spontanée dite d’oxydoréduction :

• Un des éléments va perdre des électrons : le réducteur • Et l’autre en gagner : l’oxydant


14.1.2 Réactions chimiques d’oxydoréduction

Expérience 146 Une pile au citron

Les réactions d’oxydoréduction sont des réactions chimiques spontanées : elles démarrent sans apport d’énergie externe, dès que les acteurs nécessaires sont présents, à savoir deux éléments :

• L’un sous la forme atomique (par exemple une barre de cuivre ou une barre de zinc) • L’autre sous la forme ionique (l’électrolyte) (par exemple un mélange de sulfate de

cuivre et de sulfate de zinc) Un des éléments va naturellement voir une partie de ses atomes perdre des électrons et s’ioniser. Ces électrons vont être récupérés par les ions en suspension de l’autre élément qui vont se transformer en atome.

Une pile au citron

Objectifs de l’expérience Montrer qu’avec plusieurs citrons on peut allumer une ampoule


• Une petite ampoule de 1,5v. • Plusieurs citrons • Plusieurs morceaux de fil électriques dénudés à chaque bout • Des pièces de 5 cents d’Euro bien brillantes (sinon elles sont déjà oxydées : il faudra les nettoyer avec un tampon

vaisselle en laine d’acier) • Des trombones en zinc (ou un petit morceau de zinc) (les trombones brillants et sans couleur sont normalement

recouverts d’une couche de zinc pour les rendre inoxydables). Il est aussi possible d’utiliser de grosses vis en acier galvanisé (recouverte de zinc).

• Du ruban adhésif

Réalisation Fabrication du montage : Réaliser le montage suivant. Ne pas enfoncer le dernier trombone dans le citron. Cela permettra de décider du début de l’expérience

Ecraser un peu l’intérieur des citrons pour faire apparaitre un peu de jus, ou les rouler sous la paume de la main avant de les couper. Enfoncer le dernier trombone en faisant attention à ce que les pièces et les trombones ne se touchent pas.

Mesures et constatations La multiplication des citrons permet d’obtenir une intensité lumineuse plus importante.


Figure 431 Réaction simple d’oxydoréduction

Dès que ces ingrédients sont rassemblés, des échanges plus ou moins importants vont démarrer entre eux. La quantité et le sens de ces échanges dépend des deux éléments en présence. Les métaux n’ont pas tous la même énergie potentielle. Certains ont une facilité pour gagner des électrons mais en perdent difficilement, et pour d’autres c’est le contraire. Le tableau suivant présente pour quelques éléments la différence de potentiel que l’on peut attendre lorsqu’on les utilise dans une réaction d’oxydoréduction :

• Première colonne : Nom commun de l’élément • Deuxième colonne : L’élément sous sa forme oxydant (qui pourra gagner des

électrons) • Troisième colonne : L’élément sous sa forme réducteur (qui pourra libérer des

électrons) • Quatrième colonne : Le potentiel en volt de ce couple

A noter que ce tableau ne contient pas que des métaux, mais également des éléments que l’on peut trouver sous forme gazeuse comme l’oxygène ou l’hydrogène. Nous verrons plus loin que certains phénomènes quotidiens comme la rouille ne sont rien d’autre que des réactions d’oxydoréduction impliquant des métaux et de l’oxygène.


Nom usuel Oxydant Réducteur Potentiel (v) Eau oxygénée H2O2 H2O +1,77 Oxygène O2 H2O +1,23 Argent Ag+ Ag +0,80 Cuivre Cu2+ Cu +0,34 Hydrogène H+ H2 0 Plomb Pb2+ Pb -0,13 Fer (atomique) Fe2+ Fe -0,44 Zinc Zn2+ Zn -0,76 Aluminium Al3+ Al -1,66 Lithium Li+ Li -3,05

Tableau 6 Quelques couples oxydant / réducteur

A partir du tableau précédent, il est assez simple de déterminer si une réaction d’oxydoréduction va s’opérer ou non, et quel élément sera l’oxydant et lequel sera réducteur :

• L’oxydant sera l’élément dont le potentiel électrique est le plus grand • Le réducteur sera celui dont le potentiel électrique est le plus petit

Un oxydant dans une réaction peut devenir réducteur dans une autre, et inversement : la réaction est liée uniquement à la différence de potentiel des deux éléments mis en jeu. C’est ce que l’on appelle la règle du « gamma », car le cycle peut être représenté graphiquement comme dans le schéma ci-dessous, prenant la forme de la lettre grec Gamma (γ).

Figure 432 Sens et importance de la réaction d’oxyd oréduction

Le tableau précédent peut être représenté suivant le cycle gamma pour mieux visualiser les réactions possibles et celles qui ne le sont pas.


Figure 433 Ordre des réactions d’oxydoréduction pos sibles

De la limaille de fer dans une solution de sulfate de cuivre : • L’oxydant est représenté par les ions cuivre (CU2+) qui ont un potentiel supérieur au

réducteur Fer (Fe) : la réaction d’oxydoréduction est possible • Le cuivre en solution va oxyder le fer de la limaille • Les atomes de fer vont s’ioniser en perdant deux électrons (Fe -> Fe2+ + 2 électrons)

et vont enrichir la solution • Les ions cuivre de la solution vont capturer les deux électrons, et se déposer sur la

limaille de fer (Cu2+ en solution + 2 électrons -> Cu déposé) • la limaille va se couvrir d’un dépôt de cuivre

Une barre de cuivre dans une solution de sulfate de fer :

• Le potentiel de l’oxydant (Fe2+ en solution) est inférieur à celui du réducteur (Cu dans la barre)

• Il n’y aura pas de réaction d’oxydoréduction

Figure 434 Quelques exemples d’oxydoréduction


Figure 490 Cycle de la neige

Si une couche de neige semble uniforme, une simple loupe permet de constater la diversité des flocons qui la constituent. Ces flocons sont les témoins des conditions dans lesquelles ils ont été créés et prédisent également comment cette couche neigeuse va évoluer (tassement, fonte, avalanche, etc).

Figure 491 Diversité des flocons de neige

Derrière cette unicité de chaque flocon se cache un point commun : ils sont tous hexagonaux. La question a longtemps été posée de savoir pourquoi ces flocons avaient systématiquement six pointes. Les plus grands savants ont travaillé sur le sujet, à commencer par Kepler qui écrivit même un traité en 1611, mais sans trouver la réponse à cette étonnante question. Descartes fit de même dans son livre « Micrographia » en 1665. Ce n’est qu’en 1854 qu’Ukichiro NAKAYA leva une partie du voile en réussissant à créer des flocons de neige artificiels.


La connaissance de la structure de la molécule d’eau et son agencement en structure hexagonale en phase solide a ensuite permis de mieux définir les conditions d’apparition des flocons.

Figure 492 Les flocons de neige sont hexagonaux

Bien que faisant partie d’un même cycle de formation, le processus qui aboutit à la création d’un flocon est unique. Lors de sa création, il subit des variations de température minimes et des collisions avec d’autres flocons qu’aucun autre flocon ne rencontrera dans le même ordre et dans les mêmes conditions. Les variations de température minime agissent notamment sur la façon dont les molécules d’eau vaporisées s’agrègeront sur le cristal en formation :

• Plus froid et c’est la taille des six bras qui aura tendance à s’allonger • Plus chaud, et ces bras s’élargiront sans grandir

Le champ électrique du nuage influe également la croissance des dendrites sur chacun des six bras. La molécule d’eau étant polarisable, la présence d’un champ électrique favorisera leur croissance.

15.4.5 Le grésil Si en descendant vers le sol, les flocons traversent successivement une masse d’air plus chaude et une masse d’air plus froide, ils vont fondre puis l’eau liquide se solidifier sous forme de grésil, c'est-à-dire de petites gouttes de glaces.


Figure 493 Formation du grésil

15.4.6 Pluie ou bruine verglaçante Le cycle d’apparition de la pluie ou la bruine verglaçante commence comme celui du grésil. Ce qui change c’est l’épaisseur de la couche de température négative près du sol. Si elle n’est pas suffisamment épaisse, ou extrêmement pure, les gouttes d’eau vont atteindre une température négative (surfusion) sans se solidifier car elles ont une très faible chance de rencontrer une impureté qui ferait office de noyau de condensation. Les gouttes en surfusion se solidifieront au moindre contact avec un objet, que ce soit au sol ou en l’air.

Figure 494 Conditions de formation de pluie verglaç ante


Les dégâts causés par ces pluies verglaçantes sont énormes car en quelques minutes, ce sont parfois plusieurs tonnes de glace qui se déposent, cassant arbres, pylônes, etc.

Figure 495 Dégâts causés par les pluies verglaçante s

15.4.7 La grêle Si la formation de la grêle ressemble à celle de la neige dans les cycles de pluie froide, le processus se base sur des conditions beaucoup plus énergétiques :

• Humidité plus importante de la masse d’air • Cumulonimbus avec des courants ascendant atteignant 8km d’altitude

Coalescence et effet Bergeron, amplifiés par cet environnement, amènent à l’apparition de solides grêlons et plus de délicats flocons de neige.

Figure 496 Cycle de formation de la grêle

Les grêlons présentent une structure en couches, alternativement translucide et opaques. Tout comme pour les formes différentes des flocons de neige, c’est la variété des zones du nuage rencontrées par chaque grêlon qui va définir sa forme et sa structure :


• Les zones où se trouvent des gouttelettes en surfusion vont permettre au grêlon de grossir rapidement en formant une couche translucide

• Les zones où seule de la vapeur d’eau existe donnent une couche moins épaisses, blanches, et plus solides due au givre de la vapeur en surface

Les grêlons grossissent également en fusionnant entre eux.

Figure 497 Structure des grêlons

15.5 POURQUOI LE VENT SOUFFLE-T-IL TOUJOURS EN BORD DE MER ?

Dans la journée, le soleil réchauffe la terre et l’air qui se trouve au-dessus. L’air chaud s’élève, et l’air plus froid situé au-dessus de la mer vient prendre sa place.

Figure 498 Le vent souffle vers la terre dans la jo urnée

La nuit, c’est le contraire, l’air est plus chaud au-dessus de la mer, et c’est l’air plus froid de la terre qui vient prendre sa place.


Figure 499 La nuit, le vent souffle vers la mer

15.6 INFLUENCE SUR LA METEOROLOGIE LOCALE

Même si les conditions de saturation de vapeur d’eau varient à la baisse et qu’une vapeur a la capacité de se condenser, il est souvent nécessaire que des germes soit présents pour permettre à cette condensation de démarrer. Ces germes peuvent être des impuretés dans l’air (pollens, pollution, poussières, etc) ou des objets froids dont la surface héberge des impuretés (vitres, plantes, etc).

15.6.1 Humidité relative L’humidité relative est souvent utilisée dans les bulletins météorologiques. Elle représente la proportion de l’humidité constaté sur un lieu et à une température donnée, par rapport à la pression de vapeur saturante pour cette température et ce lieu. Plus la valeur d’approche des 100%, plus il y a de chances que la vapeur se condense et qu’il pleuve, si la température baisse subitement de quelques degrés par exemple.

15.6.2 Détermination du point de rosée Pour un taux d’humidité fixe, le point de rosée est la température qui doit être atteinte pour que la vapeur dans l’air se condense. Cela permet de déterminer s’il y aura de la rosée bien sûr, mais plus important, s’il y aura du givre et de la glace, dans le cas où les températures seront assez basses.

Figure 500 Le point de rosée


15.7 FORCE DE CORIOLIS

Expérience 153 La trajectoire apparente dépend du r éférentiel

15.7.1 La force de Coriolis La force de Coriolis agit dans les systèmes en rotation, et tend à faire tourner les objets dans une direction liée au sens de rotation. Ce n’est pas une force en tant que telle malgré son nom, car elle n’agit pas sur les objets : elle n’est que la conséquence de la rotation et du fait que l’observateur se trouve ou pas dans le système en rotation. Si l’observateur se trouve dans le système en rotation, la trajectoire est déviée par rapport à son déplacement, mais elle reste inchangée pour un observateur qui n’est pas dans la rotation.

Figure 501 La trajectoire apparente d’un objet dans un système en

rotation dépend de l’observateur

La trajectoire apparente dépend du référentiel

Objectifs de l’expérience Montrer qu’en fonction de l’endroit où l’on se trouve dans un système en rotation, la trajectoire apparente suivie par un objet peut varier.


• Un crayon de papier • Une assiette en papier • Un feutre

Réalisation Percer l’assiette en papier au centre avec le crayon de papier. Le crayon permet de faire tourner l’assiette autour d’un axe. Faire tourner l’assiette autour du crayon devant vous et en même temps, tracer avec le feutre une ligne dans une direction allant du centre de l’assiette au bord proche de vous (le mouvement que vous faites est rectiligne).

Mesures et constatations Bien que le mouvement réalisé soit rectiligne, la trajectoire marquée sur l’assiette en papier est courbe. En fonction du référentiel (l’assiette en papier en rotation, ou vous-mêmes) la trajectoire semble soit rectiligne, soit courbe. Essayer la même expérience en faisant varier la vitesse rotation ou la vitesse à laquelle le trait est tracé.

Environment

Jce univers dans_un_verre_d_eau_extrait