Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
45États de la matière et changements d’état
Six années de solides qui gardent leur forme, de liquides dont la surface reste horizontale, de gaz qui remplissent chaque recoin — et pas une seule fois nous n’avons demandé pourquoi. Cette année, la physique soulève le couvercle. Sous les trois états se cache l’une des plus grandes idées que les humains aient jamais eues : tout, absolument tout, est fait de particules trop petites pour être vues. Accorde cette seule idée, et les règles que tu collectionnes depuis l’enfance s’expliquent d’un seul coup.
45.1 La grande idée
Définition 45.1 (Molécules)
Toute la matière est faite de molécules : des particules d’une petitesse inimaginable, bien au-dessous de ce que peuvent voir un œil ou un microscope d’école. Une seule goutte d’eau contient plus de molécules qu’il n’y a de gouttes d’eau dans toutes les mers. Chaque substance pure est bâtie avec son propre type de molécule — l’eau avec des molécules d’eau, le fer avec les particules qui lui sont propres — et les molécules d’une substance sont toutes identiques.
Remarque 45.2 (Croire sans voir)
Personne n’a jamais observé une seule molécule à l’œil nu — alors pourquoi y croire ? Parce que l’idée mérite la croyance : elle prédit correctement tout ce que contient ce chapitre, et des montagnes de choses en plus. C’est ainsi que la physique accepte un invité invisible : non par foi, mais par utilité acharnée. (Des images directes, obtenues par de merveilleux instruments modernes, sont enfin arrivées il y a un siècle — longtemps après que les physiciens étaient déjà convaincus.)
Proposition 45.3 (Le modèle particulaire des trois états)
Les trois états sont trois arrangements des mêmes molécules :
- solide : des molécules serrées les unes contre les autres en un empilement ordonné, chacune tremblant sur place mais gardant sa position — d’où la forme fixe ;
- liquide : des molécules qui se touchent encore, mais en désordre et libres de glisser les unes contre les autres — d’où l’écoulement et la surface horizontale ;
- gaz : des molécules très éloignées les unes des autres, volant vite dans toutes les directions, se heurtant et rebondissant — d’où le remplissage de tout recoin offert.
Exemple 45.4 (Six ans de règles, une seule explication)
Passe les vieilles règles dans le modèle. Les solides gardent leur forme : chaque molécule tient son poste. Les liquides prennent la forme du récipient et restent horizontaux : la foule glissante s’affaisse jusqu’à ce qu’aucune molécule ne puisse glisser plus bas. Les gaz remplissent toute la place offerte : rien ne retient les voltigeuses. Le parfum qui traverse la pièce : des molécules de gaz qui volent, se heurtent, se répandent. Le sable qui se verse comme un liquide : ce ne sont pas des molécules qui glissent, mais des grains — chaque grain étant lui-même un minuscule solide ordonné de milliers de milliards de molécules.
45.2 Le test de l’espace vide
Méthode 45.5 (Deux seringues)
Le modèle affirme que les molécules d’un gaz volent loin les unes des autres et que celles d’un liquide se touchent. Alors un gaz devrait se laisser comprimer, et un liquide non. Mettons cela à l’épreuve :
- remplir d’air une seringue en plastique, boucher l’embout du bout du doigt, et pousser le piston : il cède — on peut réduire de moitié la place de l’air, en sentant une résistance élastique ;
- remplir la même seringue d’eau, boucher, et pousser : le piston tient comme un mur — l’eau refuse de rétrécir d’un cheveu ;
- relâcher chaque piston : l’air revient d’un bond ; l’eau n’a jamais bougé.
Proposition 45.6 (Les gaz se compriment ; les liquides et les solides, non)
Un gaz peut être comprimé — forcé dans moins de place — parce qu’un gaz est surtout de l’espace vide entre des molécules qui volent. Les liquides et les solides sont pratiquement incompressibles : leurs molécules se touchent déjà, et une matière dont les molécules se touchent ne peut pas être tassée davantage par la moindre poussée qu’une main — ou même une presse hydraulique — puisse fournir.
Exemple 45.7 (L’air comprimé au travail)
La pompe à vélo entasse des pièces entières d’air dans le pneu — ce qui n’est possible que parce que l’air est surtout du vide. La foule comprimée, dont les molécules martèlent les parois du pneu plus vite et plus dru, soutient le vélo : la poussée d’un gaz est sa grêle moléculaire. Les bouteilles des plongeurs tassent un après-midi de respiration dans une bouteille d’acier ; le liquide de frein, incompressible, transmet quant à lui la poussée de ton pied jusqu’aux roues sans rien perdre — chaque état engagé pour son propre talent.
45.3 Les changements d’état, relus
Exemple 45.8 (Les portes, molécule par molécule)
Chauffe un solide et ses molécules tremblent plus fort ; à la température de fusion, ce tremblement fait éclater l’empilement ordonné — la foule se met à glisser : c’est la fusion. Chauffe encore le liquide et les molécules les plus rapides s’arrachent entièrement à l’emprise de la foule et s’envolent : c’est l’évaporation — et, à la température d’ébullition, l’évasion devient une ruée depuis l’intérieur même du liquide. Le refroidissement passe le film à l’envers : des voltigeuses attrapées (condensation), des glissantes qui se rangent en rangs (solidification). Les six portes de l’an dernier ne sont qu’une seule histoire : l’emprise moléculaire contre le tremblement moléculaire.
Exemple 45.9 (De vieilles lois, gratuitement)
Deux lois durement acquises viennent maintenant gratuitement. La masse survit aux changements d’état : la fusion réarrange les molécules mais n’en crée ni n’en détruit une seule — mêmes particules, même masse. Les paliers de température : à la température de fusion, la chaleur qui arrive est dépensée à briser l’emprise de l’empilement, molécule après molécule, et non à accélérer le tremblement — le thermomètre attend que le dernier rang soit rompu. Ce que la mesure a découvert, le modèle l’explique.
Remarque 45.10 (L’étrange gonflement de l’eau)
Même l’étrange gonflement de l’eau qui gèle rejoint le tableau : il se trouve que les molécules d’eau se verrouillent en un empilement inhabituellement aéré — un réseau ouvert, avec plus d’espace vide que n’en avait la foule glissante. Empilement plus aéré, plus de place, masse volumique plus faible : la glace flotte sur son propre liquide. La plupart des substances s’empilent plus serré qu’elles ne glissent ; l’architecture de l’eau est la magnifique exception.
45.4 La chaleur, vue de l’intérieur
Proposition 45.11 (Température et agitation moléculaire)
La température mesure la vivacité de l’agitation moléculaire : plus une substance est chaude, plus ses molécules tremblent, glissent ou volent vite. La chaleur qui coule du chaud vers le froid, c’est la foule vive qui se calme en secouant la foule engourdie — choc après choc — jusqu’à ce que les deux partagent une même allure : une seule température. La vieille loi de la chaleur qui descend la pente est du ping-pong moléculaire.
Exemple 45.12 (Le froid n’est pas une matière)
Le modèle met définitivement à la retraite une vieille tentation : rien qui s’appellerait « froid » ne coule jamais. Il n’y a qu’une agitation moléculaire plus lente ou plus rapide ; la vive prête sa vivacité, jamais l’inverse. Au plus froid imaginable — des molécules aussi immobiles que la nature le permet — se trouve un véritable plancher de température, bien au-dessous de tout congélateur ; son nombre étrange et célèbre appartient au volume du lycée.
45.5 Exercices
Exercice 45.1 ★
Énonce l’image que le modèle particulaire donne de chacun des trois états, en une ligne chacune.
Exercice 45.2 ★
Pourquoi un solide garde-t-il sa forme alors qu’un liquide prend celle de son récipient ? Réponds avec des molécules, pas avec des règles.
Solution
Solution de Exercice 45.2.
Dans le solide, chaque molécule tient son poste dans l’empilement : l’ensemble garde donc sa forme. Dans le liquide, les molécules glissent librement les unes contre les autres tout en restant en contact : la foule s’affaisse pour épouser le récipient, jusqu’à ce que rien ne puisse glisser plus bas — d’où la surface horizontale.
Exercice 45.3 ★
Dans le test des seringues, pourquoi l’air cède-t-il et revient-il d’un bond, alors que l’eau tient comme un mur ?
Exercice 45.4 ★
Une pompe à vélo entasse plusieurs pièces d’air dans un seul pneu. Que cela prouve-t-il sur l’espacement des molécules d’un gaz ? Une pompe pourrait-elle en faire autant avec de l’eau ?
Exercice 45.5 ★
Raconte l’histoire de la fusion en langage moléculaire : que fait la chaleur, et qu’est-ce qui se brise à la température de fusion ?
Exercice 45.6 ★
Pourquoi la masse survit-elle à tout changement d’état, d’après le modèle ? Que faudrait-il qu’il arrive aux molécules pour que de la masse soit perdue ?
Solution
Solution de Exercice 45.6.
Un changement d’état ne fait que réarranger les mêmes molécules — aucune n’est créée ni détruite, et la masse ne peut donc pas changer. Perdre de la masse exigerait que des molécules disparaissent (ou s’échappent du récipient — la fausse alerte de la bouteille non bouchée).
Exercice 45.7 ★
Que mesure la température, dans le modèle ? Décris l’écoulement de la chaleur vers le bas de la pente comme du ping-pong moléculaire.
Solution
Solution de Exercice 45.7.
La vivacité de l’agitation moléculaire. Quand le chaud touche le froid, les molécules vives bousculent les engourdies et leur transmettent de la vivacité, choc après choc — les vives se calment, les engourdies s’animent — jusqu’à ce que les deux foules partagent une même allure : des températures égales.
Exercice 45.8 ★
Un parfum ouvert à un bout d’une pièce immobile est senti à l’autre bout une minute plus tard. Explique le voyage — et pourquoi un courant d’air l’accélère.
Exercice 45.9 ★★
L’évaporation refroidit ce qu’elle laisse derrière elle : la sueur rafraîchit la peau, et un doigt mouillé levé en l’air sent le côté froid du vent. Explique avec l’évasion des molécules les plus rapides — quelle sorte de foule reste en arrière ?
Solution
Solution de Exercice 45.9.
Seules les molécules les plus rapides peuvent s’arracher à l’emprise du liquide : l’évaporation est donc un impôt sur la vivacité ; les évadées emportent plus que leur part, et la foule laissée derrière est, en moyenne, plus lente — c’est-à-dire plus froide. La sueur et le doigt mouillé refroidissent en exportant leurs plus vives.
Exercice 45.10 ★★
Un ballon fermé laissé au soleil d’été gonfle ; au réfrigérateur, il s’affaisse. Le nombre de molécules à l’intérieur n’a jamais changé. Explique les deux transformations avec la vitesse moléculaire et la grêle sur les parois.
Solution
Solution de Exercice 45.10.
Au soleil, les molécules enfermées volent plus vite et martèlent la peau du ballon plus fort et plus souvent : la grêle gonfle le ballon jusqu’à ce que la peau tendue lui fasse contrepoids. Au froid, les mêmes molécules ralentissent, le martèlement faiblit, et la poussée de l’air extérieur écrase le ballon.
Exercice 45.11 ★★
Pourquoi la glace flotte-t-elle, en langage moléculaire ? Qu’y a-t-il d’inhabituel dans l’empilement que bâtissent les molécules d’eau, et que feraient les étangs en hiver si l’eau s’empilait comme les substances ordinaires ?
Solution
Solution de Exercice 45.11.
En gelant, l’eau se verrouille en un empilement inhabituellement aéré et ouvert — avec plus d’espace vide que n’en avait la foule glissante — si bien que la glace occupe plus de place pour les mêmes molécules : masse volumique inférieure à celle du liquide, et elle flotte. Si l’eau était ordinaire, la glace s’empilerait serré, coulerait à mesure de sa formation, et les étangs gèleraient du fond vers le haut — sans laisser d’eau abritée pour les poissons.
Exercice 45.12 ★★★
Une goutte d’encre déposée doucement au fond d’un verre d’eau parfaitement immobile se répand lentement, en quelques heures, jusqu’à ce que toute l’eau soit d’un bleu léger — sans agitation, sans courant. Explique ce que cette diffusion patiente révèle sur les molécules d’un liquide — celles de l’eau comme celles de l’encre — et pourquoi la même goutte se répand plus vite dans une eau chaude. (Cette humble observation compte parmi les grandes premières preuves de toute l’idée moléculaire.)
Solution
Solution de Exercice 45.12.
Rien n’a agité l’eau, et pourtant l’encre a voyagé : les molécules du liquide lui-même sont en mouvement incessant et bousculent les molécules d’encre, pas au hasard après pas au hasard, à travers la foule — les deux liquides sont pleins de mouvement à chaque instant, même quand le verre paraît parfaitement immobile. La chaleur accélère chaque bousculade, et la diffusion se presse donc. L’encre patiente a ainsi rendu visible la danse invisible — une preuve qui a convaincu les sceptiques des molécules elles-mêmes.
45.6 Problème : le théâtre moléculaire
Problème 45.1
Problème du week-end — la classe met en scène le modèle particulaire dans le gymnase ; des élèves en guise de molécules, les états en guise de chorégraphie ; les questions des critiques
Le cours de physique met en scène la matière elle-même : trente élèves jouent les molécules d’une substance, et le gymnase est le récipient.
Partie I — trois tableaux.
- Premier tableau, le solide : comment les trente doivent-ils se tenir, et quel petit mouvement chacun doit-il continuer de faire ? Que n’ont-ils pas le droit de faire ?
- Deuxième tableau, le liquide : qu’est-ce qui change dans l’arrangement, et quelle liberté nouvelle apparaît ? Que doivent-ils continuer de faire, et que le tableau du gaz abolira ?
- Troisième tableau, le gaz : décris la chorégraphie — et dis pourquoi ce tableau a besoin du gymnase tout entier alors que les deux premiers se blottissent dans un coin.
- Le public demande : « Sont-ce les mêmes trente élèves dans les trois tableaux ? » Quelle loi de l’an dernier la réponse met-elle en scène ?
Partie II — les critiques éprouvent la pièce.
- Un critique pousse doucement la foule du tableau du gaz et la refoule dans la moitié du gymnase. Le tableau le permet-il ? Et la même poussée sur le groupe du tableau du liquide ? Nomme la proposition mise en scène.
- Pour mettre en scène la fusion, le metteur en scène monte un bouton de chaleur imaginaire. Que les élèves du solide doivent-ils faire de plus en plus, et à quel moment le tableau devient-il légitimement celui du liquide ?
- La pièce doit montrer le palier de fusion : pendant que le changement se produit, à quoi l’énergie du bouton de chaleur est-elle dépensée — et que doit rapporter le « critique-thermomètre » sur la vivacité moyenne des élèves pendant ce temps ?
- Mets en scène l’évaporation à partir du tableau du liquide : quels élèves quittent le groupe — n’importe lesquels au hasard, ou d’un genre particulier ? Qu’advient-il de la vivacité moyenne du groupe à mesure qu’ils partent, et quelle fraîcheur de tous les jours cela explique-t-il ?
Partie III — effets spéciaux.
- L’effet ballon : le tableau du gaz est clôturé par des élèves tenant un cercle de corde (la peau du ballon). Que font les acteurs moléculaires à la corde, et qu’arrive-t-il au cercle quand les acteurs vont plus vite ?
- L’étrange congélation de l’eau doit être mise en scène. Quelle consigne inhabituelle sur l’espacement le metteur en scène donne-t-il à l’empilement du tableau du solide, et quel fait de flottaison cela explique-t-il ?
- Le final de la goutte d’encre : un élève en chemise bleue commence dans un coin du tableau du liquide. Sans aucune poussée du metteur en scène, comment la chemise bleue finit-elle loin de son coin — et pourquoi plus vite si le bouton de chaleur est monté ?
- Rédige la note du programme : en trois phrases, dis quelle idée unique toute la pièce met en scène, nomme deux vieilles lois qu’elle explique gratuitement, et reconnais honnêtement ce qu’aucun tableau ne peut montrer (à quel point les vrais acteurs sont petits et nombreux).
Solution
Solution de Problème 45.1.
1. En rangs bien alignés, épaule contre épaule, chacun gigotant sur place — et aucun n’a le droit d’échanger sa place ni de quitter son poste. 2. Les rangs se dissolvent : les élèves restent épaule contre épaule (en contact !) mais se faufilent et glissent désormais les uns contre les autres. Ils doivent toujours garder le contact avec la foule — personne ne peut courir librement. 3. Les élèves se dispersent, courant vite et tout droit jusqu’à se heurter ou heurter un mur, rebondissant sans fin — et comme rien ne les retient ensemble, seuls les murs les arrêtent : la foule s’empare de tous les recoins offerts par le gymnase. 4. Oui — les mêmes trente dans chaque tableau : la masse survit aux changements d’état, mise en scène. 5. Le tableau du gaz le permet — les coureurs se resserrent dans la moitié du gymnase (et martèlent plus fort les rabatteurs). Le groupe du liquide ne peut pas rétrécir : les élèves se touchent déjà. Mise en scène : les gaz se compriment, les liquides non. 6. Gigoter de plus en plus fort à leur poste ; le tableau devient celui du liquide à l’instant où le gigotement fait éclater les rangs et où les élèves se mettent à glisser les uns contre les autres. 7. L’énergie du bouton est dépensée à briser l’emprise de l’empilement — rang après rang — et non à accélérer le mouvement : le critique-thermomètre doit rapporter une vivacité moyenne inchangée jusqu’à ce que le dernier rang se rompe. Le palier, mis en scène. 8. Les élèves les plus rapides — eux seuls peuvent s’arracher. La vivacité moyenne du groupe restant baisse : le liquide se refroidit lui-même en s’évaporant, exactement la fraîcheur de la sueur et des doigts mouillés. 9. Les acteurs heurtent sans cesse la corde et la poussent vers l’extérieur ; des acteurs plus rapides poussent plus fort et plus souvent, et le cercle gonfle — le ballon au soleil. 10. « Empilez-vous en ordre ouvert — à bout de bras, bien aéré » : le solide de l’eau prend plus de place que son liquide, et le radeau du tableau de la glace flotterait donc sur la foule du tableau du liquide. 11. La chemise bleue est bousculée — poussée pas au hasard après pas au hasard à travers la foule glissante, jusqu’à avoir vagabondé partout : c’est la diffusion de l’encre. Monte le bouton et chaque bousculade s’accélère, si bien que le vagabondage se presse. 12. Par exemple : « La pièce de ce soir met en scène une seule idée : toute la matière est faite de molécules en mouvement. Cette idée accordée, deux vieilles lois viennent gratuitement — la masse qui survit à tout changement d’état, et le palier de fusion. Ce que nous ne pouvons pas mettre en scène, c’est l’échelle : les vrais acteurs sont plus petits que tout regard et plus nombreux que tous les publics du monde. »