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title: "États de la matière et changements d’état"
book: "Physique du primaire et du collège"
subject: physics
language: fr
chapter: 45
exercises: 12
source: https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/45-etats-de-la-matiere-et-changements-detat
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# Chapitre 45 — États de la matière et changements d’état

Six années de [solides](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-solid) qui gardent leur forme, de [liquides](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) dont la surface reste horizontale, de [gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) 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](#def-g7-states-of-matter-molecule) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/32-miroirs-et-reflexion#prop-g5-mirrors-reflection-image) 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](#def-g7-states-of-matter-molecule) :

1. *[solide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-solid)* : des [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) serrées les unes contre les autres en un empilement ordonné, chacune tremblant sur place mais gardant sa position — d’où la forme fixe ;
2. *[liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid)* : des [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) qui se touchent encore, mais en désordre et libres de glisser les unes contre les autres — d’où l’écoulement et la surface horizontale ;
3. *[gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas)* : des [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) très éloignées les unes des autres, volant vite dans toutes les directions, se heurtant et rebondissant — d’où le remplissage de tout recoin offert.

![Une substance, trois arrangements : l’empilement du solide, la foule glissante du liquide, les quelques voltigeuses du gaz.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/physics-1/g7-states-of-matter/fig-b194cd808c7f.svg)

*Une substance, trois arrangements : l’empilement du [solide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-solid), la foule glissante du [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid), les quelques voltigeuses du [gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas).*

**Exemple 45.4 (Six ans de règles, une seule explication).**

Passe les vieilles règles dans le modèle. Les [solides](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-solid) gardent leur forme : chaque [molécule](#def-g7-states-of-matter-molecule) tient son poste. Les [liquides](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) prennent la forme du récipient et restent horizontaux : la foule glissante s’affaisse jusqu’à ce qu’aucune [molécule](#def-g7-states-of-matter-molecule) ne puisse glisser plus bas. Les [gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) remplissent toute la place offerte : rien ne retient les voltigeuses. Le parfum qui traverse la pièce : des [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) de [gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) qui volent, se heurtent, se répandent. Le sable qui se verse comme un [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) : ce ne sont pas des [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) qui glissent, mais des grains — chaque grain étant lui-même un minuscule [solide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-solid) ordonné de milliers de milliards de [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule).

## 45.2 Le test de l’espace vide

**Méthode 45.5 (Deux seringues).**

Le modèle affirme que les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) d’un [gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) volent loin les unes des autres et que celles d’un [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) se touchent. Alors un [gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) devrait se laisser comprimer, et un [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) non. Mettons cela à l’épreuve :

1. remplir d’ [air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air) , en sentant une résistance élastique ;
2. remplir la même seringue d’eau, boucher, et pousser : le piston tient comme un mur — l’eau refuse de rétrécir d’un cheveu ;
3. relâcher chaque piston : l’ [air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) peut être *comprimé* — forcé dans moins de place — parce qu’un [gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) est surtout de l’espace vide entre des [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) qui volent. Les [liquides](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) et les [solides](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-solid) sont pratiquement *incompressibles* : leurs [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) se touchent déjà, et une matière dont les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air) dans le pneu — ce qui n’est possible que parce que l’[air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air) est surtout du vide. La foule comprimée, dont les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) martèlent les parois du pneu plus vite et plus dru, soutient le vélo : la poussée d’un [gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) *est* sa grêle moléculaire. Les bouteilles des plongeurs tassent un après-midi de respiration dans une bouteille d’acier ; le [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-solid) et ses [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) tremblent plus fort ; à la [température de fusion](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/21-fondre-et-bouillir-les-changements-detat#def-g4-changes-of-state-melting-point), ce tremblement fait éclater l’empilement ordonné — la foule se met à glisser : c’est la [fusion](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/39-leau-dans-tous-ses-etats#def-g6-water-states-changes). Chauffe encore le [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) et les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/21-fondre-et-bouillir-les-changements-detat#def-g4-changes-of-state-boiling-point), l’évasion devient une ruée depuis l’intérieur même du [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid). Le refroidissement passe le film à l’envers : des voltigeuses attrapées ([condensation](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/39-leau-dans-tous-ses-etats#def-g6-water-states-changes)), des glissantes qui se rangent en rangs ([solidification](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/39-leau-dans-tous-ses-etats#def-g6-water-states-changes)). 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/20-mesurer-la-masse#def-g3-measuring-mass-mass) survit aux changements d’état* : la [fusion](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/39-leau-dans-tous-ses-etats#def-g6-water-states-changes) réarrange les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) mais n’en crée ni n’en détruit une seule — mêmes particules, même [masse](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/20-mesurer-la-masse#def-g3-measuring-mass-mass). *Les paliers de [température](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature)* : à la [température de fusion](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/21-fondre-et-bouillir-les-changements-detat#def-g4-changes-of-state-melting-point), la [chaleur](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/34-chaleur-et-isolation#def-g5-heat-and-insulation-heat) qui arrive est dépensée à briser l’emprise de l’empilement, [molécule](#def-g7-states-of-matter-molecule) après [molécule](#def-g7-states-of-matter-molecule), et non à accélérer le tremblement — le [thermomètre](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/9-glace-eau-vapeur#def-g2-ice-water-steam-meltfreeze) rejoint le tableau : il se trouve que les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/44-la-masse-volumique-pourquoi-les-objets-flottent#def-g6-density-floating-density) plus faible : la glace [flotte](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/5-flotter-et-couler#def-g1-floating-and-sinking-words) sur son propre [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid). La plupart des substances s’empilent plus serré qu’elles ne glissent ; l’architecture de l’eau est la magnifique exception.

![La condensation prise sur le fait : la vapeur d’eau invisible de l’air de la pièce devient liquide sur le verre froid.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/physics-1/g7-states-of-matter/img-57fdc4c0c18b.jpg)

*La [condensation](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/39-leau-dans-tous-ses-etats#def-g6-water-states-changes) prise sur le fait : la vapeur d’eau invisible de l’[air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air) de la pièce devient [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) sur le verre froid.*

## 45.4 La chaleur, vue de l’intérieur

**Proposition 45.11 (Température et agitation moléculaire).**

La [température](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) mesure la vivacité de l’agitation moléculaire : plus une substance est chaude, plus ses [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) tremblent, glissent ou volent vite. La [chaleur](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/34-chaleur-et-isolation#def-g5-heat-and-insulation-heat) qui [coule](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/5-flotter-et-couler#def-g1-floating-and-sinking-words) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature). La vieille loi de la [chaleur](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/34-chaleur-et-isolation#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/5-flotter-et-couler#def-g1-floating-and-sinking-words) 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](#def-g7-states-of-matter-molecule) aussi immobiles que la nature le permet — se trouve un véritable plancher de [température](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature), bien au-dessous de tout congélateur ; son nombre étrange et célèbre appartient au [volume](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/38-masse-et-volume#def-g6-mass-and-volume-volume) du lycée.

## 45.5 Exercices

**Exercice 45.1 ★.**

Énonce l’[image](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/32-miroirs-et-reflexion#prop-g5-mirrors-reflection-image) que le modèle particulaire donne de chacun des trois états, en une ligne chacune.

**Solution de Exercice 45.1.**

[Solide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-solid) : des [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) serrées en un empilement ordonné, tremblant sur place. [Liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) : des [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) en contact mais en désordre, qui glissent les unes contre les autres. [Gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) : des [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) très éloignées, volant vite dans toutes les directions.

**Exercice 45.2 ★.**

Pourquoi un [solide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-solid) garde-t-il sa forme alors qu’un [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) prend celle de son récipient ? Réponds avec des [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule), pas avec des règles.

**Solution de Exercice 45.2.**

Dans le [solide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-solid), chaque [molécule](#def-g7-states-of-matter-molecule) tient son poste dans l’empilement : l’ensemble garde donc sa forme. Dans le [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid), les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air) cède-t-il et revient-il d’un bond, alors que l’eau tient comme un mur ?

**Solution de Exercice 45.3.**

L’[air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air) est surtout de l’espace vide entre des [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) qui volent : pousser rapproche les voltigeuses (et leur martèlement résiste — d’où l’élasticité). Les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) de l’eau se touchent déjà ; il n’y a aucun vide à chasser, et le piston rencontre donc un mur.

**Exercice 45.4 ★.**

Une pompe à vélo entasse plusieurs pièces d’[air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air) dans un seul pneu. Que cela prouve-t-il sur l’espacement des [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) d’un [gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) ? Une pompe pourrait-elle en faire autant avec de l’eau ?

**Solution de Exercice 45.4.**

Que les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) d’un [gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) volent très éloignées les unes des autres, avec un grand vide entre elles — des pièces entières peuvent être tassées ensemble. L’eau, dont les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) se touchent déjà, est incompressible : aucune pompe ne la tasse davantage.

**Exercice 45.5 ★.**

Raconte l’histoire de la [fusion](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/39-leau-dans-tous-ses-etats#def-g6-water-states-changes) en langage moléculaire : que fait la [chaleur](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/34-chaleur-et-isolation#def-g5-heat-and-insulation-heat), et qu’est-ce qui se brise à la [température de fusion](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/21-fondre-et-bouillir-les-changements-detat#def-g4-changes-of-state-melting-point) ?

**Solution de Exercice 45.5.**

La [chaleur](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/34-chaleur-et-isolation#def-g5-heat-and-insulation-heat) fait trembler de plus en plus fort les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) empilées ; à la [température de fusion](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/21-fondre-et-bouillir-les-changements-detat#def-g4-changes-of-state-melting-point), le tremblement l’emporte sur l’emprise de l’empilement, les rangs se rompent, et les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) se mettent à glisser : le [solide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-solid) est devenu [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid).

**Exercice 45.6 ★.**

Pourquoi la [masse](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/20-mesurer-la-masse#def-g3-measuring-mass-mass) survit-elle à tout changement d’état, d’après le modèle ? Que faudrait-il qu’il arrive aux [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) pour que de la [masse](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/20-mesurer-la-masse#def-g3-measuring-mass-mass) soit perdue ?

**Solution de Exercice 45.6.**

Un changement d’état ne fait que réarranger les mêmes [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) — aucune n’est créée ni détruite, et la [masse](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/20-mesurer-la-masse#def-g3-measuring-mass-mass) ne peut donc pas changer. Perdre de la [masse](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/20-mesurer-la-masse#def-g3-measuring-mass-mass) exigerait que des [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) disparaissent (ou s’échappent du récipient — la fausse alerte de la bouteille non bouchée).

**Exercice 45.7 ★.**

Que mesure la [température](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature), dans le modèle ? Décris l’écoulement de la [chaleur](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/34-chaleur-et-isolation#def-g5-heat-and-insulation-heat) vers le bas de la pente comme du ping-pong moléculaire.

**Solution de Exercice 45.7.**

La vivacité de l’agitation moléculaire. Quand le chaud touche le froid, les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air) l’accélère.

**Solution de Exercice 45.8.**

Les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) de parfum volent, heurtent des [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) d’[air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air), rebondissent et vagabondent — zigzag après zigzag à travers la pièce. Un courant d’[air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air) en transporte des foules entières d’un bloc : chevaucher le [vent](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-wind) vaut mieux que tituber dans la foule.

**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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-air) sent le côté froid du [vent](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-wind). Explique avec l’évasion des [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) les *plus rapides* — quelle sorte de foule reste en arrière ?

**Solution de Exercice 45.9.**

Seules les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) les *plus rapides* peuvent s’arracher à l’emprise du [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) : 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](#def-g7-states-of-matter-molecule) à l’intérieur n’a jamais changé. Explique les deux transformations avec la [vitesse](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/35-la-vitesse-distance-et-duree#def-g5-speed-distance-time-speed) moléculaire et la grêle sur les parois.

**Solution de Exercice 45.10.**

Au soleil, les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) 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](#def-g7-states-of-matter-molecule) ralentissent, le martèlement faiblit, et la poussée de l’[air](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/10-lair-autour-de-nous#def-g2-air-around-us-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](#def-g7-states-of-matter-molecule) d’eau, et que feraient les étangs en hiver si l’eau s’empilait comme les substances ordinaires ?

**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](#def-g7-states-of-matter-molecule) : [masse volumique](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/44-la-masse-volumique-pourquoi-les-objets-flottent#def-g6-density-floating-density) inférieure à celle du [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid), et elle [flotte](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/5-flotter-et-couler#def-g1-floating-and-sinking-words). 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/8-mesurer-le-temps#ex-g2-measuring-time-clock), 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](#def-g7-states-of-matter-molecule) d’un [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) — 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 de Exercice 45.12.**

Rien n’a agité l’eau, et pourtant l’encre a voyagé : les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) du [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) lui-même sont en mouvement incessant et bousculent les [molécules](#def-g7-states-of-matter-molecule) d’encre, pas au hasard après pas au hasard, à travers la foule — les deux [liquides](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) sont pleins de mouvement à chaque instant, même quand le verre paraît parfaitement immobile. La [chaleur](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/34-chaleur-et-isolation#def-g5-heat-and-insulation-heat) 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](#def-g7-states-of-matter-molecule) 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](#def-g7-states-of-matter-molecule) d’une substance, et le gymnase est le récipient.

**Partie I — trois tableaux.**

1. Premier tableau, le [solide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-solid) : 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 ?
2. Deuxième tableau, le [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) : 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) abolira ?
3. Troisième tableau, le [gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) : décris la chorégraphie — et dis pourquoi ce tableau a besoin du gymnase *tout entier* alors que les deux premiers se blottissent dans un coin.
4. 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.**

5. Un critique pousse doucement la foule du tableau du [gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) et la refoule dans la moitié du gymnase. Le tableau le permet-il ? Et la même poussée sur le groupe du tableau du [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) ? Nomme la proposition mise en scène.
6. Pour mettre en scène la *[fusion](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/39-leau-dans-tous-ses-etats#def-g6-water-states-changes)* , le metteur en scène monte un bouton de [chaleur](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/34-chaleur-et-isolation#def-g5-heat-and-insulation-heat) imaginaire. Que les élèves du [solide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-solid) doivent-ils faire de plus en plus, et à quel moment le tableau devient-il légitimement celui du [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) ?
7. La pièce doit montrer le palier de [fusion](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/39-leau-dans-tous-ses-etats#def-g6-water-states-changes) : pendant que le changement se produit, à quoi l’ [énergie](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/29-lenergie-dans-la-vie-de-tous-les-jours#def-g5-everyday-energy-energy) du bouton de [chaleur](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/34-chaleur-et-isolation#def-g5-heat-and-insulation-heat) est-elle dépensée — et que doit rapporter le « [critique-thermomètre](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) » sur la vivacité moyenne des élèves pendant ce temps ?
8. Mets en scène l’évaporation à partir du tableau du [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) : 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.**

9. L’effet ballon : le tableau du [gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) 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 ?
10. 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-solid) , et quel fait de flottaison cela explique-t-il ?
11. Le final de la goutte d’encre : un élève en chemise bleue commence dans un coin du tableau du *[liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid)* . 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/34-chaleur-et-isolation#def-g5-heat-and-insulation-heat) est monté ?
12. 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 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/20-mesurer-la-masse#def-g3-measuring-mass-mass) survit aux changements d’état, mise en scène. **5.** Le tableau du [gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) le permet — les coureurs se resserrent dans la moitié du gymnase (et martèlent plus fort les rabatteurs). Le groupe du [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) ne peut pas rétrécir : les élèves se touchent déjà. Mise en scène : les [gaz](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-gas) se compriment, les [liquides](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) non. **6.** Gigoter de plus en plus fort à leur poste ; le tableau devient celui du [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/29-lenergie-dans-la-vie-de-tous-les-jours#def-g5-everyday-energy-energy) du bouton est dépensée à briser l’emprise de l’empilement — rang après rang — et non à accélérer le mouvement : le [critique-thermomètre](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/15-temperature-et-thermometres#def-g3-temperature-thermometers-temperature) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid) 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](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-solid) de l’eau prend plus de place que son [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid), et le radeau du tableau de la glace flotterait donc sur la foule du tableau du [liquide](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/14-solides-liquides-gaz#def-g3-solids-liquids-gases-liquid). **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](#def-g7-states-of-matter-molecule) en mouvement. Cette idée accordée, deux vieilles lois viennent gratuitement — la [masse](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/20-mesurer-la-masse#def-g3-measuring-mass-mass) qui survit à tout changement d’état, et le palier de [fusion](https://one-course.com/books/physics/1/fr/chapter/39-leau-dans-tous-ses-etats#def-g6-water-states-changes). 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. »