Physique du primaire et du collège · Grades 1–9

39L’eau dans tous ses états

Tu poursuis l’eau à travers ses états depuis ta deuxième année d’école : glace, eau, vapeur ; bonshommes de neige qui fondent et vitres embuées. Cette année, la poursuite devient une comptabilité. Quand la glace fond, perd-on de la matière ? Quand l’eau gèle, pourquoi les canalisations éclatent-elles ? Balances et éprouvettes en main, nous auditons les trois états de l’eau.

39.1 Les trois états, avec leurs vraies étiquettes

Définition 39.1 (Les six changements d’état)

Entre ses trois états, l’eau dispose de six portes, chacune avec son nom scientifique :

solide $\to$ liquide : la fusion ; liquide $\to$ solide : la solidification (la congélation) ;
liquide $\to$ gaz : la vaporisation — tumultueuse à l’ébullition, discrète et tiède sous forme d’évaporation ; gaz $\to$ liquide : la condensation ;
solide $\to$ gaz directement : la sublimation, et gaz $\to$ solide directement — des portes plus rares, mais bien réelles : les fleurs de givre d’une vitre glacée poussent directement à partir de vapeur invisible, en sautant complètement l’état liquide.

Les six portes de l’eau, avec leurs vrais noms. La chaleur pousse les portes rouges ; le froid pousse les bleues.

Exemple 39.2 (Des portes tout autour de toi)

Le givre du matin qui fond sur l’herbe ; le linge qui s’évapore sur le fil ; un miroir froid qui condense la vapeur de ta douche ; le congélateur qui solidifie les glaçons de demain ; les fleurs de givre poussées pendant la nuit sur la vitre. Une seule substance, six portes, toutes dans une journée de vie ordinaire — nomme-les et elles sont à toi.

39.2 L’audit : perd-on de la matière ?

Méthode 39.3 (Peser un changement d’état)

Pose la question à la balance :

verser un peu d’eau dans une petite bouteille en plastique, visser le bouchon à fond, sécher l’extérieur ;
la peser : disons $368\,\mathrm{g}$ — le noter ;
la coucher au congélateur pour la nuit : solidification ;
peser aussitôt la bouteille gelée (en essuyant le givre).

La balance répond : $368\,\mathrm{g}$ , au gramme près. Fais-la refondre sur le rebord de la fenêtre et pèse de nouveau : $368\,\mathrm{g}$ . L’état a changé deux fois ; la matière n’a pas bronché.

Proposition 39.4 (La masse survit aux changements d’état)

Un changement d’état change l’apparence d’une substance, pas sa quantité : la masse avant égale exactement la masse après. Fusion, solidification, ébullition dans une casserole scellée, condensation — par chacune des portes, la balance affiche la même chose. (Laisse le bouchon ouvert, en revanche, et la vapeur s’en va avec ses grammes : la matière existe toujours, mais ton audit ne la contient plus.)

Exemple 39.5 (Où sont passés les grammes de la flaque)

Une flaque de $300\,\mathrm{g}$ s’assèche. Disparue ? Sans poids ? Non : $300\,\mathrm{g}$ d’eau chevauchent maintenant l’air sous forme de vapeur invisible, chaque gramme intact — une partie retombera en pluie la semaine prochaine. L’évaporation trompe l’œil, jamais la comptabilité. Le trait de craie de ton expérience d’enfance autour d’une flaque était un audit ; il a maintenant des nombres.

39.3 L’audit : la place est-elle conservée ?

Proposition 39.6 (L’eau gonfle en gelant)

La masse survit aux portes — le volume, lui, non. L’eau est une substance curieuse : en devenant solide, elle augmente de volume. Un litre d’eau donne environ $1.1$ litre de glace : même masse, environ un dixième de place en plus. La plupart des substances se contractent en se solidifiant ; l’eau gonfle — et cette bizarrerie redessine les paysages.

La bouteille gelée : la balance inchangée, le niveau plus haut. La congélation garde la matière et exige plus de place.

Exemple 39.7 (Le tuyau éclaté et la montagne fendue)

Oubliée au congélateur, une bouteille en verre pleine d’eau se fend : la glace qui gonfle a besoin de son dixième de place supplémentaire et le prend, verre ou pas verre. L’hiver fait de même avec la plomberie — l’eau qui gèle dans un tuyau le fait éclater aussi sûrement qu’un marteau — et avec les montagnes : la pluie s’infiltre dans les fissures de la roche, gèle la nuit, gonfle et force la fissure. Année après année, gel après gel, le petit gonflement bizarre de Proposition 39.6 fend les rochers et effrite les sommets.

Remarque 39.8 (Pourquoi la glace flotte)

La même bizarrerie répond à une question que tu posais il y a des années, à l’heure du bain. La glace loge la matière d’un litre dans $1.1$ litre de place : à place égale, la glace est plus légère que l’eau — la glace flotte donc sur son propre liquide. Les icebergs voguent sur la mer, les étangs gèlent du haut vers le bas (ce qui sauve les poissons en dessous), et les glaçons de ta limonade flottent au lieu de couler. Peu de substances flottent sur elles-mêmes ; la vie sous les étangs gelés est bien contente que l’eau le fasse.

39.4 Le cycle de l’eau, audité

Exemple 39.9 (Le grand voyage circulaire, avec le vocabulaire)

L’histoire d’enfance de la mer, du nuage et de la pluie se lit maintenant comme un registre. La chaleur du Soleil provoque la vaporisation depuis les mers — des tonnes et des tonnes s’élèvent sans se voir. Haut et froid, la vapeur se condense en gouttelettes de nuage ; plus froid encore, les gouttelettes gèlent en neige. La neige s’entasse en glaciers ; les glaciers fondent en rivières ; les rivières rendent chaque gramme à la mer. Sur tout le circuit, Proposition 39.4 tient bon : la planète ne gagne ni ne perd une goutte — l’eau de ton verre navigue sur cette boucle depuis avant les dinosaures.

Des fleurs de givre sur une vitre glacée : l’eau de l’air a construit cette glace pendant la nuit, directement sur le verre.

39.5 Exercices

Exercice 39.1 ★

Nomme les six portes de Définition 39.1, chacune avec une observation de la vie courante.

Solution

Solution de Exercice 39.1.

La fusion (le givre du matin qui quitte l’herbe) ; la solidification (les glaçons du congélateur) ; la vaporisation (le linge qui sèche, la casserole qui bout) ; la condensation (la buée sur le miroir froid) ; la sublimation (un banc de neige qui rétrécit par gel sec) ; le passage direct du gaz au solide (les fleurs de givre sur la vitre).

Exercice 39.2 ★

Quelle porte : la rosée qui se forme sur l’herbe froide à l’aube ? un bonhomme de neige qui rétrécit par une journée ensoleillée à $-5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , sans qu’aucune flaque n’apparaisse ? des glaçons qui embuent le congélateur d’une « fumée » ?

Solution

Solution de Exercice 39.2.

La rosée : condensation. Le bonhomme de neige qui rétrécit sans flaque : sublimation — du solide directement à la vapeur, dans l’air froid et sec. La « fumée » du congélateur : condensation — la vapeur de la pièce qui se condense en petit nuage dans l’air froid (des gouttelettes, pas du gaz).

Exercice 39.3 ★

Une bouteille d’eau fermée pèse $412\,\mathrm{g}$ . Elle gèle complètement pendant la nuit. Que pèse-t-elle maintenant, et quelle proposition répond ?

Solution

Solution de Exercice 39.3.

Toujours $412\,\mathrm{g}$ : la masse survit aux changements d’état — la bouteille fermée n’a rien perdu ni rien gagné.

Exercice 39.4 ★

Dans Méthode 39.3, pourquoi la bouteille doit-elle être bouchée — et pourquoi la sécher avant chaque pesée ?

Solution

Solution de Exercice 39.4.

Bouchée, pour qu’aucune vapeur ne parte avec ses grammes (l’audit doit rester clos) ; séchée, parce que de l’eau ou du givre accrochés à l’extérieur ajouteraient des grammes étrangers, qui appartiennent à la pièce et non à l’audit.

Exercice 39.5 ★

Une casserole d’eau bout à découvert pendant dix minutes et sa masse diminue de $200\,\mathrm{g}$ . De la masse a-t-elle été détruite ? Où sont ces grammes ?

Solution

Solution de Exercice 39.5.

Rien n’a été détruit : $200\,\mathrm{g}$ d’eau sont partis sous forme de vapeur dans l’air de la cuisine — la vaporisation a fait sortir les grammes de la casserole, pas du monde.

Exercice 39.6 ★

Un litre d’eau part au congélateur. Quel volume de glace en ressort-il, à peu près ? Même question pour la masse.

Solution

Solution de Exercice 39.6.

Environ $1.1\,\mathrm{L}$ de glace — un dixième de place en plus. La masse est inchangée : $1\,\mathrm{kg}$ à l’entrée, $1\,\mathrm{kg}$ à la sortie.

Exercice 39.7 ★

Pourquoi les canalisations d’eau éclatent-elles lors des hivers rigoureux — et pourquoi les jardiniers vidangent-ils leurs robinets extérieurs à l’automne ?

Solution

Solution de Exercice 39.7.

L’eau enfermée dans un tuyau gonfle en gelant, et le tuyau, comme la bouteille en verre, cède. Les jardiniers vidangent les robinets à l’automne pour qu’il ne reste rien à l’intérieur qui puisse gonfler.

Exercice 39.8 ★

Pourquoi la glace flotte-t-elle sur l’eau ? Relie Proposition 39.6 à la règle de la flottaison — plus légère ou plus lourde, à place égale ?

Solution

Solution de Exercice 39.8.

La glace tasse la matière d’un litre dans $1.1$ litre de place : plus légère que l’eau à place égale — et plus léger à place égale, c’est exactement ce qui flotte.

Exercice 39.9 ★★

Raconte le cycle de l’eau comme un registre : suis $1\,\mathrm{kg}$ d’eau de mer sur la boucle complète, en nommant chaque porte franchie et en indiquant sa masse à chaque étape.

Solution

Solution de Exercice 39.9.

La mer ( $1\,\mathrm{kg}$ , liquide) — vaporisation — vapeur ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — condensation — gouttelettes de nuage ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — solidification — neige ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — fusion — eau de fonte ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — rivière puis mer ( $1\,\mathrm{kg}$ ). Six étapes, une masse inchangée.

Exercice 39.10 ★★

Un verre de limonade est rempli jusqu’au bord, des glaçons flottant dedans. Un invité s’inquiète : il va déborder quand la glace fondra. Sers-toi des deux audits (la masse conservée, la place supplémentaire de la glace rendue) pour rassurer — ou alarmer — l’invité, en exposant ton raisonnement.

Solution

Solution de Exercice 39.10.

Il faut rassurer. La glace qui flotte déplace déjà son propre poids de limonade ; en fondant, elle rend exactement cette eau, retirée du dixième dont elle avait gonflé — l’eau se glisse dans la place que le glaçon occupait déjà sous la surface. Le verre reste plein à ras bord, sans déborder d’une goutte.

Exercice 39.11 ★★

Des fleurs de givre apparaissent pendant la nuit sur une vitre glacée, dans une pièce sèche, sans pluie et sans vitre mouillée au coucher. Quelle porte l’eau a-t-elle prise, en venant d’où, et pourquoi cette porte ne s’appelle-t-elle pas « solidification » ?

Solution

Solution de Exercice 39.11.

La porte du gaz vers le solide : la vapeur invisible de l’air de la pièce a touché la vitre glacée et y a construit de la glace directement, en sautant l’état liquide. Ce n’est pas de la « solidification » parce qu’il n’y a jamais eu de liquide sur la vitre — l’eau est arrivée directement de l’état de vapeur.

Exercice 39.12 ★★★

Les étangs gèlent du haut vers le bas. Explique toute la chaîne : pourquoi la glace de l’eau la plus froide se forme à la surface et y reste, ce que ce couvercle flottant fait à l’écoulement de la chaleur en dessous (une idée d’isolation de l’an dernier), et pourquoi les poissons du fond doivent leurs hivers à l’étrange gonflement de l’eau.

Solution

Solution de Exercice 39.12.

L’étang perd de la chaleur vers l’air d’hiver par sa surface : l’eau de surface atteint donc $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ la première et sa glace s’y forme — et elle flotte, étant plus légère que l’eau à place égale, si bien qu’elle reste au-dessus. Ce couvercle de glace (et de neige) est une voie lente : il isole l’eau du dessous, dont la chaleur ne s’échappe plus que lentement vers le haut. L’eau profonde reste légèrement au-dessus de zéro tout l’hiver, et les poissons nagent sous un toit que leur étrange eau gonflante a bâti pour eux.

39.6 Problème : un kilogramme autour du monde

Problème 39.1

Problème du week-end — un kilogramme d’eau de mer en grand voyage ; six portes, trois montagnes, un registre ininterrompu

Nous apposons une étiquette imaginaire sur $1\,\mathrm{kg}$ d’eau de mer et nous le suivons pendant un an.

Partie I — la montée.

Juin : le Soleil réchauffe la surface de la mer et notre kilogramme s’élève dans l’air, invisiblement. Nomme la porte qu’il a prise.
Quelle est la masse de notre kilogramme d’eau (désormais invisible) ? Quelle proposition le garantit ?
À $3000\,\mathrm{m}$ , l’air est froid : l’eau devient un nuage de gouttelettes. Nomme cette porte.
Plus froid encore, les gouttelettes deviennent des flocons. Nomme cette porte — la solidification — et indique la température à laquelle des gouttelettes de nuage d’eau pure commencent à geler.

Partie II — le registre du glacier. Notre kilogramme se pose sur un glacier et est comprimé en glace de glacier.

Sous forme d’eau, notre kilogramme occupait $1\,\mathrm{L}$ . Quel volume occupe-t-il à peu près sous forme de glace ?
Le front du glacier fond en été. Notre kilogramme devient de l’eau de fonte : quelle est sa masse maintenant, et son volume (redevenu de l’eau liquide) ?
En descendant la montagne, $250\,\mathrm{g}$ de notre kilogramme s’évaporent d’une vasque de cascade ensoleillée. Quelle quantité de l’eau étiquetée poursuit sa route à l’état liquide dans le torrent ?
Le quart évaporé a-t-il quitté l’audit ? Dis où sont ses $250\,\mathrm{g}$ , et quelle porte ils prendront le plus probablement ensuite.

Partie III — le retour, et les comptes équilibrés.

Les $750\,\mathrm{g}$ du torrent atteignent la mer en octobre. Les $250\,\mathrm{g}$ évaporés sont retombés en pluie sur la côte en août et ont rejoint la mer en septembre. Additionne ce que la mer a récupéré de notre kilogramme.
Sur tout le voyage, notre kilogramme n’a été sans masse exactement jamais — mais il a été invisible deux fois. À quelles étapes, et dans quel état ?
Un camarade objecte : « La neige est duveteuse et légère — le kilogramme pesait sûrement moins sous forme de neige. » Démêle la confusion avec le bon couple de mots de cette année.
Écris le voyage comme une chaîne de portes, dans l’ordre, en n’utilisant que les six noms savants de Définition 39.1.

Solution

Solution de Problème 39.1.

1. La vaporisation (l’évaporation depuis la surface chaude). 2. Toujours $1\,\mathrm{kg}$ — la masse survit aux changements d’état. 3. La condensation. 4. À $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . 5. Environ $1.1\,\mathrm{L}$ . 6. Masse $1\,\mathrm{kg}$ ; volume revenu à $1\,\mathrm{L}$ . 7. $1000 - 250 = 750\,\mathrm{g}$ poursuivent dans le torrent. 8. Non : les $250\,\mathrm{g}$ chevauchent l’air sous forme de vapeur, intacts ; leur porte suivante la plus probable est la condensation — en nuage, puis en pluie. 9. $750 + 250 = 1000\,\mathrm{g}$ : le kilogramme entier est rentré à la maison. 10. Invisible deux fois : sous forme de vapeur juste après avoir quitté la mer, et de nouveau sous forme de vapeur au-dessus de la vasque de la cascade — les deux fois à l’état gazeux. 11. « Duveteux » parle de volume : la neige est faite de cristaux de glace lacés d’air, qui prennent une place généreuse. La masse de notre eau étiquetée est restée exactement $1\,\mathrm{kg}$ — léger-pour-la-place n’est pas léger-en-matière : le couple de mots, c’est masse et volume. 12. Vaporisation, condensation, solidification, fusion — et, pour le quart évaporé : vaporisation, condensation (la pluie), puis retour à l’état liquide. Quatre portes utilisées ; la sublimation et la porte du gaz vers le solide n’ont pas servi lors de ce voyage.

Termes définis dans ce chapitre

Les six changements d’état

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