Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
9Glace, eau, vapeur
La même eau tinte dans ton verre sous forme de glaçon, se verse comme boisson et monte de la casserole de soupe en panache blanc. Une seule matière, trois états. L’an dernier, nous avons regardé la chaleur faire fondre un glaçon ; cette année, nous rencontrons les trois états de la matière que l’eau peut prendre.
9.1 Les trois états de l’eau
Exemple 9.1 (Où vit chaque état)
L’eau peut se trouver dans trois états de la matière. Solide : la glace — glaçons, stalactites de glace sous le toit, givre sur l’herbe, neige. Un solide est dur et garde sa forme. Liquide : l’eau qui se verse — la pluie, les rivières, la mer, ton verre. Un liquide coule et prend la forme de son récipient. Gaz : la vapeur d’eau, de l’eau qui vole dans l’air sans se voir. Solide, liquide, gaz — mais toujours la même matière en dessous.
Remarque 9.2 (La vapeur d’eau est invisible)
Le panache blanc que tu vois au-dessus de la casserole est fait de minuscules gouttelettes d’eau en suspension — de petites gouttes liquides. Le vrai gaz — la vapeur d’eau mêlée à l’air — ne se voit pas du tout ! Regarde de près le bec de la casserole : juste au-dessus, il y a un court espace transparent avant que le panache blanc ne commence. Dans cet espace, l’eau est un gaz, invisible ; un peu plus haut, elle se rassemble en gouttelettes visibles. De la vapeur d’eau invisible se cache dans l’air de chaque pièce, et nous la prendrons la main dans le sac avant la fin du chapitre.
9.2 Changer d’état
Définition 9.3 (Fondre et geler)
Quand la chaleur transforme la glace solide en eau liquide, la glace fond. Quand un grand froid transforme l’eau liquide en solide, l’eau gèle. Fondre et geler sont deux portes opposées entre les deux mêmes états : la chaleur pousse dans un sens, le froid pousse dans l’autre.
Définition 9.4 (S’évaporer et se condenser)
Quand la chaleur fait partir l’eau liquide dans l’air sous forme de gaz, l’eau s’évapore — la flaque rétrécit, le linge sèche. Quand la vapeur d’eau touche quelque chose de froid et redevient des gouttelettes liquides, elle se condense — la buée sur la vitre froide, le voile sur le miroir de la salle de bain. De nouveau deux portes opposées : la chaleur envoie l’eau à l’état gazeux, le froid la rappelle à l’état liquide.
Exemple 9.5 (À toi de jouer : attrape l’eau invisible)
Prends une canette ou un verre à la sortie du réfrigérateur, sèche bien l’extérieur avec un torchon, et pose-le sur la table. Attends en comptant jusqu’à . L’extérieur se couvre de buée, puis devient mouillé — des gouttes apparaissent de nulle part ! Elles ne traversent pas le verre : la vapeur d’eau invisible de l’air de la pièce a touché la paroi froide et s’est condensée. Tu viens d’attraper le gaz invisible.
Exemple 9.6 (Les nuages de la respiration)
Ton souffle transporte toujours de la vapeur d’eau invisible. Un jour de chaleur, elle reste invisible. Un matin glacé, l’air froid du dehors la condense aussitôt en un petit nuage devant ta bouche — et la même chose se produit sur une vitre froide quand tu souffles dessus pour dessiner du doigt.
Remarque 9.7 (Vapeur et cuisinière : prudence)
La vapeur d’eau au-dessus d’une casserole qui bout est brûlante — plus brûlante que l’eau elle-même ne le paraît. Ne mets jamais la main dans le panache, et soulève les couvercles en les écartant de toi, avec un adulte à côté. Les changements d’état se regardent, ils ne se touchent pas, dès qu’une cuisinière est de la partie.
9.3 La même eau, encore et encore
Exemple 9.8 (La flaque qui rétrécit)
Après la pluie, une flaque brille dans la cour. L’après-midi, elle a rétréci ; demain, elle aura disparu. Personne ne l’a bue et elle n’a pas filé à travers le goudron : la chaleur du Soleil l’a fait s’évaporer, goutte après goutte, dans l’air. Trace un trait de craie autour d’une flaque le matin et regarde après le déjeuner : l’eau s’est repliée à l’intérieur de ton trait.
Exemple 9.9 (De la mer à la pluie)
Ce qui s’évapore doit bien se condenser quelque part. L’eau s’envole des mers et des flaques, invisible ; haut dans le ciel, où l’air est froid, elle se condense en gouttelettes qui forment les nuages ; les gouttelettes se rassemblent, deviennent lourdes, et tombent — la pluie ! La pluie remplit les flaques et les mers, et le voyage recommence. L’eau de ton verre a fait ce trajet plus de fois qu’on ne peut le compter.
9.4 Exercices
Exercice 9.1 ★
Quel est l’état de la matière de chacun de ces exemples — solide, liquide ou gaz : une stalactite de glace ; la mer ; l’eau invisible juste au-dessus du bec de la casserole de soupe ; le givre sur l’herbe ; la pluie ?
Solution
Solution de Exercice 9.1.
La stalactite de glace : solide. La mer : liquide. L’eau invisible au-dessus du bec : gaz (vapeur d’eau). Le givre : solide. La pluie : liquide.
Exercice 9.2 ★
Nomme le changement d’état : un bonhomme de neige qui rétrécit au soleil ; une flaque qui disparaît ; la buée qui apparaît sur le miroir de la salle de bain ; un étang qui devient dur en hiver.
Solution
Solution de Exercice 9.2.
Le bonhomme de neige fond ; la flaque s’évapore ; la buée du miroir se condense ; l’étang gèle.
Exercice 9.3 ★
Sur le schéma des changements d’état, dans quel sens la chaleur pousse-t-elle toujours : vers le solide ou vers le gaz ? Et le froid ?
Solution
Solution de Exercice 9.3.
La chaleur pousse vers le gaz (du solide au liquide, puis au gaz) ; le froid pousse vers le solide (du gaz au liquide, puis au solide).
Exercice 9.4 ★
Les gouttes sur la canette froide de Exemple 9.5 — ont-elles filtré à travers le verre ? D’où viennent-elles ?
Solution
Solution de Exercice 9.4.
Non — le verre ne laisse rien passer. La vapeur d’eau invisible de l’air de la pièce s’est condensée sur la paroi froide de la canette et s’est changée en gouttes visibles.
Exercice 9.5 ★
Pourquoi vois-tu ton souffle un matin glacé, et pas un jour de chaleur ? Sers-toi des mots de Définition 9.4.
Solution
Solution de Exercice 9.5.
Le souffle transporte toujours de la vapeur d’eau invisible. L’air glacé la condense aussitôt en minuscules gouttelettes — un nuage visible. L’air chaud, lui, la laisse évaporée : il n’y a rien à voir.
Exercice 9.6 ★
Le linge mouillé sèche plus vite au soleil qu’à l’ombre. Quel changement d’état est à l’œuvre, et qu’apporte le Soleil pour l’accélérer ?
Solution
Solution de Exercice 9.6.
L’évaporation. Le Soleil apporte de la chaleur, et c’est la chaleur qui envoie l’eau plus vite dans l’air sous forme de gaz.
Exercice 9.7 ★
Pourquoi le panache au-dessus d’une casserole qui bout est-il dangereux, et quelle est la règle de sécurité de Remarque 9.7 ?
Solution
Solution de Exercice 9.7.
Le panache est brûlant — plus brûlant que de l’eau de bain bien chaude. La règle : ne jamais mettre la main dans le panache, soulever les couvercles en les écartant de soi, et seulement avec un adulte à côté.
Exercice 9.8 ★
Raconte le voyage circulaire d’une goutte de pluie : pars de la mer, reviens à la mer, et utilise en chemin les mots s’évaporer et se condenser.
Solution
Solution de Exercice 9.8.
Le Soleil réchauffe la mer et une partie de l’eau s’évapore, en s’envolant sans se voir. Là-haut, dans le froid, elle se condense en gouttelettes de nuage. Les gouttelettes deviennent lourdes et tombent en pluie, qui repart vers la mer — prête à recommencer le tour.
Exercice 9.9 ★★
Au bec de la casserole, il y a un espace transparent, et le panache blanc ne commence qu’au-dessus. Qu’y a-t-il dans l’espace transparent ? Que montre cela sur l’eau à l’état gazeux ?
Solution
Solution de Exercice 9.9.
L’espace transparent contient de l’eau à l’état gazeux — de la vapeur d’eau, invisible. Un peu plus haut seulement, l’air qui refroidit la condense en gouttelettes blanches, celles du panache. La vraie « vapeur » ne se voit donc pas ; ce blanc que nous appelons vapeur est déjà fait de minuscules gouttes d’eau liquide.
Exercice 9.10 ★★
Nino laisse un verre d’eau sur le rebord de la fenêtre pendant une semaine ; le niveau baisse jour après jour, alors que personne ne le boit. On accuse son chat. Défends le chat : explique ce qui s’est vraiment passé, et invente un moyen de montrer que l’eau part dans l’air, et non dans le chat.
Solution
Solution de Exercice 9.10.
L’eau s’est évaporée dans l’air de la pièce, un peu chaque jour. Pour disculper le chat : couvre un verre identique avec une assiette ou un film plastique et laisse les deux côte à côte. Au bout d’une semaine, le verre couvert est toujours plein tandis que le verre ouvert a baissé — l’eau s’échappe dans l’air, et aucun chat ne boit à travers un couvercle.