Description de l’enjeu (N4) : Etude de l’état gazeux et des propriétés des transitions liquide-gaz pour l’eau

L’enjeu N4 est constitué de plusieurs enjeux de niveau inférieur : l’étude de l’ébullition (N41 et N43), l’étude de l’évaporation (N42), l’étude d’un paradoxe apparent sur le cycle de l’eau (N44) et enfin, l’étude de la condensation (N45). Ces différents enjeux sont décrits avec davantage de détails dans le synopsis ci-dessous (cf. Tableau 7, p. 155).

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Enjeux de

niveau N niveau N-1 ^{Enjeux de}

Phases d’action

Apports principaux dans la mésogenèse en termes de contenus

Résultats d’institutionnalisation en gras

Organisation sociale - Empan temporel

Etude de l’état gazeux et des propriétés des transitions liquide-gaz pour l’eau N4 Etude de l’ébullition (1) N41

Introduction au thème d’étude : l’eau sous forme de gaz & Consigne Sur Terre, l’eau peut se trouver sous l’état gazeux.

Consigne : dessiner et décrire une expérience de transformation de l’eau liquide en gaz. Collectif - S3(53’ – 56’)

N41a

Description d’une expérience de transformation de l’eau liquide en gaz

Individuel - S3(56’ – 60’)

N41b

Mise en commun & mise au point d’une expérience de transformation de l’eau liquide en gaz Dans les expériences proposées, plusieurs termes reviennent : chaleur, évaporer.

C’est un changement de température qui provoque les changements d’état. Il faut donc chauffer l’eau liquide pour la transformer en gaz. On peut mettre une casserole d’eau sur une plaque électrique ou utiliser une bouilloire.

Nous noterons à quelle température l’eau se transforme en gaz. Hypothèses : 17 ; 70°C. Collectif - S3(60’ – 71’) N41c Etude de l’évaporation N42 (…)

Quand l’eau disparaît d’un contenant, c’est l’évaporation. Deux facteurs influencent l’évaporation : la chaleur et l’air.

Le séchoir fait intervenir ces deux facteurs. L’évaporation est une manière naturelle d’évaporer l’eau.

Toutes les étendues (lac, mer, etc.) d’eau s’évaporent. Ça fait partie du cycle de l’eau..

Etude de l’ébullition (2)

N43

Installation de l’expérience d’ébullition avec une bouilloire d’eau, observations & interprétation des observations

Mise en place et branchement de la bouilloire remplie d’eau. La bouilloire fait intervenir une

résistance qui chauffe l’eau jusqu’à l’évaporer.

Lorsque de grosses bulles apparaissent, c’est l’ébullition. Elle se produit à 100°C : un petit nuage apparaît alors. Mais l’évaporation commence dès le début de l’expérience. L’eau sous forme de gaz est invisible.

Collectif - S4(27’ – 42’) N43a Etude d’un paradoxe apparent sur le cycle de l’eau N44

Problème : On voit l’eau descendre des nuages sous forme de pluie mais on ne la voit jamais remonter pour former des nuages. Pourquoi ?

La raison pour laquelle on ne voit pas l’eau monter pour former les nuages est qu’elle monte sous forme de gaz, et donc qu’elle est invisible à la montée.

Collectif - S4(42’ – 46’)

N44a

Etude de la condensation

N45

Présentation d’un défi & proposition de solutions

Présentation d’un défi : est-il possible de transformer la vapeur d’eau en eau liquide ? Comment ?

Pour transformer de la vapeur d’eau en eau liquide, on peut mettre sur le trajet de la vapeur créée par la bouilloire un miroir froid : la buée se forme sur le miroir, ce sont de petites

gouttes d’eau, témoin du passage de la vapeur en eau liquide.

Pour modéliser la formation des nuages, on recouvre un récipient d’eau chaude avec un saladier froid. On voit de la buée. La vapeur d’eau redevient liquide sur les parois du saladier.

Collectif - S4(46’ – 69’)

N45a

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Enjeux N41 et N43 : L’étude de l’ébullition

L’étude de l’ébullition est séparée en deux intervalles de temps distincts que nous réunissons ci-après pour le décrire :

- Dans la première phase qui se déroule en collectif (N41a), Amélie délimite le nouveau thème d’étude : il s’agit de l’eau sous forme de gaz. Elle demande aux élèves de représenter et de décrire une expérience dans laquelle de l’eau liquide se transforme en eau sous forme gazeuse.

- Dans la deuxième phase (N41b), les élèves s’essaient individuellement à la mise au point d’une expérience de transition liquide-gaz.

- Dans la troisième phase (N41c), certaines idées d’expériences sont soumises au collectif. Il est finalement reconnu qu’il faut chauffer l’eau liquide pour la transformer en gaz. Un type d’expérience se dégage : mettre une casserole d’eau sur une plaque électrique ou bien utiliser une bouilloire.

- Dans la dernière phase qui se déroule collectivement (N43a), une bouilloire remplie d’eau est mise en place et branchée. Certains constats sont tirés de l’observation du comportement de l’eau lorsqu’elle est chauffée : les grosses bulles qui apparaissent signent l’ébullition. Celle-ci se produit vers 100°C et s’accompagne d’un petit nuage. Mais de l’évaporation se produit dès le début de l’expérience. L’eau sous forme de gaz est invisible.

Les deux phases précédentes (N41c) et (N43a) constituent le deuxième segment qui sera analysé au niveau microscopique (cf. les deux premières parties grisées dans le Tableau 7, p. 155).

Enjeu N42 : L’étude de l’évaporation

Sans rentrer dans le détail des nombreuses phases de cet enjeu que nous n’étudierons pas plus avant dans la suite, précisons quelques éléments de l’avancée des savoirs.

Cet enjeu permet d’aborder l’évaporation : il y est établi que l’eau s’évapore lorsqu’elle est laissée à l’air libre et que deux facteurs (la chaleur et l’air) influencent la vitesse d’évaporation. Le sèche-linge et l’étendage traditionnel du linge font d’ailleurs intervenir ces deux facteurs. D’autre part, l’évaporation est une manière naturelle d’évaporer l’eau : toutes les étendues d’eau dans la nature (lac, mer, etc.) s’évaporent et cette dynamique contribue au cycle de l’eau. Enjeu N44 : L’étude d’un paradoxe apparent

Dans ce court enjeu d’enseignement qui ne comporte qu’une seule phase en collectif (N144a), Amélie soumet un paradoxe apparent aux élèves : pourquoi est-on capable de voir l’eau descendre des nuages sous forme de pluie mais jamais effectuer le trajet inverse pour former les nuages ? Une raison est avancée : c’est parce que, lorsqu’elle remonte dans le ciel, elle est dans l’état gazeux et donc invisible à l’œil nu.

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Enjeu N45 : L’étude de la condensation

Cet enjeu d’enseignement ne comporte qu’une seule phase qui se déroule en collectif (N45a) : Amélie demande aux élèves d’imaginer des moyens de transformer de la vapeur d’eau en eau liquide.

Après l’étude de quelques suggestions, il est décidé qu’il faut placer un objet froid au contact de la vapeur. Une première expérience est menée : aux abords d’une bouilloire remplie d’eau chauffée, un miroir froid est placé. De la buée se forme sur le miroir : celle-ci est constituée de petites gouttes d’eau, et est le témoin de la transition vapeur d’eau-eau liquide.

Dans une deuxième expérience, un récipient d’eau chaude est recouvert par un saladier froid. Il en ressort que la buée qui apparaît sur les parois du saladier montre également que la vapeur d’eau redevient liquide. Cette deuxième expérience est censée modéliser la formation des nuages : ceux-ci ne sont pas faits de vapeur, ils sont à l’état liquide.

Cette phase est la troisième qui sera analysée au niveau microscopique. (cf. la dernière partie grisée dans le Tableau 7, p. 155).