Chapitre 5 – Les trois états physiques de l’eau
I. Présentation des trois états de la matière
Les trois états de la matière sont l’état solide, l’état liquide et l’état gazeux. (C’est vrai pour l’eau, mais c’est vrai aussi pour tout le reste, le fer, le dioxygène, etc. On verra au chapitre 6 pourquoi on ne voit jamais de fer gazeux ou de dioxygène solide.)
Exemples : Eau solide : glace, neige.
Eau liquide : mers, rivières, buée, nuages.
Eau à l’état gazeux : vapeur.
Comment va-t-on identifier l’état auquel on a affaire ? Grâce à ses propriétés.
1) Propriété de l’état solide Glaçon dans un verre à pied.
2) Propriétés de l’état liquide
a. Absence de forme propre Les liquides ont-ils une forme propre ?
Les liquides n’ont pas de forme propre.
Remarque : Le sable a l’air d’épouser la forme du verre à pied, mais NON ! Les grains de sable sont très petits par rapport au verre. Chaque grain de sable a sa forme propre. C’est l’organisation des grains qui épouse la forme du verre à pied.
b. Surface libre
Définition : La surface libre d’un liquide est la surface en contact avec l’air.
3) Propriétés des gaz
• Un gaz est invisible. (Le plus souvent, sauf quand il est coloré. En tous cas, il est toujours transparent.)
• Expérience :
Les solides ont une forme propre (qui ne change pas).
Un liquide « épouse » la forme du récipient qui le contient.
Forme de l’eau :
On bloque une quantité d’air fixe à l’intérieur de la seringue avec le doigt.
Observation : la quantité d’air est la même, mais la place occupée par le gaz change quand on bouge le piston.
Conclusion : Un gaz est compressible et expansible Il occupe tout le volume (toute la place) disponible.
équerre fil à plomb
gomme
Le fil à plomb indique la direction verticale.
La surface libre d’un liquide au repos est un plan horizontal (perpendiculaire à la verticale car la surface libre est perpendiculaire au fil à plomb).
C’est pourquoi on la représente par un trait droit horizontal.
Rappelez-vous, c’est ce que je vous avais dit au chapitre 2.
II. Grandeurs physiques associées
Une grandeur, c’est quelque chose que l’on peut mesurer. Elle a une unité (la plupart du temps).
1) La masse
Masse : Grandeur qui correspond à la quantité de matière.
Unité de la masse : le kilogramme (kg). (Et non kilo tout court, parce qu’il existe des kilolitres, kilomètres, etc.) La masse se mesure avec une balance, souvent en grammes. 1kg = 1000 g et 1 g = 0,001 g.
On souhaite mesurer 5,4 g de farine. Protocole expérimental : Allumer la balance.
Poser la coupelle sur le plateau de la balance. La balance indique la masse de la coupelle.
Appuyer sur le bouton TARE de la balance. La balance indique 0 g.
Déposer délicatement avec la spatule la farine dans la coupelle.
S’arrêter lorsque la balance indique 5,4 g.
Bilan : Tarer une balance permet de supprimer la masse du récipient dans lequel on dépose le corps à peser.
2) Le volume
Volume d’un corps (liquide, solide ou gaz) : Place occupée par ce corps.
Unités du volume : le mètre cube (m3). C’est la place occupée par un cube de 1 m sur 1 m sur 1 m.
le litre (L).
• Correspondances entre les différentes unités de volume :
Tableau de conversion :
1 m3 1 dm3 1 cm3
1 kL 1 hL 1 daL 1 L 1 dL 1 cL 1 mL
• Mesure du volume d’un liquide : Le volume d’un liquide se mesure avec une éprouvette graduée.
Expérience : On mesure 100 mL d’eau avec une éprouvette graduée (remplie à l’aide d’une pissette).
• Mesure du volume d’un gaz : Un gaz occupe tout le volume qu’on lui donne (compressible). Il suffit donc de connaître le volume du récipient (c’est un solide) pour savoir le volume occupé par le gaz.
• Mesure du volume d’un solide. (Traité uniquement si on a eu le temps.)
- De forme connue : On mesure ses dimensions et on applique les formules de Maths.
- De forme inconnue :
1 L = 1 dm3 1 mL = 1 cm3
1 000 L = 1 m3 1 L = 1000 mL 1 dm3 = 1000 cm3
On mesure la différence de volume observée quand on introduit le solide dans l’eau. Pour cela, il faut bien sûr qu’il ne flotte pas.
100 mL : On lit au bas de l’épaisseur observée, l’œil au niveau de l’eau. Il faut identifier quel volume représente chaque petit trait de l’éprouvette, appelé division.
3) Lien entre masse et volume de l’eau liquide.
Monsieur Maldedos va chez son médecin pour un problème de dos. Le médecin lui prescrit des médicaments et lui interdit de soulever des charges trop lourdes. « Pas plus de 5 kilogrammes ! Sinon, votre dos restera coincé », lui dit son médecin. En rentrant chez lui, monsieur Maldedos range ses courses. Peut-il porter son pack de 6 L d’eau ? (a) Quel problème se pose M. Maldedos ? Monsieur Maldedos doit savoir quelle est la masse du pack d’eau.
(b) Quelle hypothèse pouvons-nous émettre ? Le pack d’eau est trop lourd pour M. Maldedos.
(c) Quelle expérience pourrions-nous réaliser pour vérifier l’hypothèse ? Rédiger un protocole et faire un schéma.
Expérience : Il faut connaître la masse d’un litre d’eau.
Tarer la balance avec une éprouvette graduée
Mesurer avec l’éprouvette graduée 100 mL d’eau. (Pas d’éprouvette d’1 L dans le labo.) Mesurer la masse de ces 100 mL d’eau avec la balance préalablement tarée.
Interprétation : = 100 100 = 0,1 Donc = 10 × 100 = 1000 = 1
Conclusion : La masse d’1 L d’eau liquide est voisine d’1 kg dans les conditions usuelles de notre environnement.
M. Maldedos ne peut pas porter son pack de bouteilles d’eau de masse 6 kg, c’est trop dangereux.
C’est pour cette raison que l’huile se trouvait au dessus de l’eau dans les expériences du chapitre 4, c’est tout simplement parce que la masse d’1 L d’huile est plus petite que 1 kg. On dit que l’huile est moins dense que l’eau.
Attention ! N’écrivez jamais : 1 = 1
Un volume et une masse ne peuvent JAMAIS être égaux, parce que ce n’est pas la même chose. Ecrire ça c’est un peu comme dire 1 m = 1 °C ! C’est ridicule !
4) Mesure de la température
Unité usuelle de la température : le degré Celsius (°C) Une température se mesure avec un thermomètre.
HORREUR ! 0 g
(1) Tare
100 mL d’eau.
100 g
(2) Pesée
III. Changements d’états 1) Définitions
2) Cycle de l’eau
Les trois états de l’eau coexistent dans la nature. Mais non seulement ils coexistent, mais en plus l’eau change constamment d’état à la surface de la terre selon un schéma bien précis : le cycle de l’eau.
1. D’où provient l’eau des nuages (Citez les deux transformations qu’elle subit.) L’eau des nuages provient de la vaporisation puis liquéfaction (à nouveau) de l’eau des océans. Pourquoi ces transformations ont-elles lieu ? Elles on lieu à cause de la chaleur du Soleil ou de la fraîcheur en altitude.
2. D’où provient la neige des glaciers ? La neige des glaciers provient des nuages lorsqu’il neige.
3. D’où provient l’eau qui alimente les rivières ? L’eau des rivières provient de la fonte des glaciers et des pluies.
4. Qu’arrive-t-il à l’eau des rivières ? Elle se jette dans les océans ou s’infiltre dans les nappes souterraines.
5. Pourquoi parle-t-on alors de cycle de l’eau ? On retrouve toujours la même eau qui change de lieu et/ou d’état.
6. En quoi le réchauffement de la planète risque-t-il de modifier cet équilibre ? Le réchauffement de la planète risque de provoquer la fonte des glaciers. Conséquences : inondations, montée du niveau des océans, changement du milieu de vie de certaines espèces animales.
Nuages
Glaciers Rivières
Océans
Nappes
J’ai ajouté sur le diagramme en bleu les noms des changements d’état dans le langage courant.
Exemples de changements d’état : Fusion : un glaçon qui fond.
Vaporisation : de l’eau qui bout ou s’évapore.
Liquéfaction : de la buée qui se forme sur une vitre.
Solidification : congélation de l’eau.
GAZ
SOLIDE LIQUIDE
FUSION VAPORISATION
LIQUEFACTION SOLIDIFICATION
= Fonte = Evaporation ou ébullition
= Condensation
= Gel
Liquéfaction
Vaporisation Fusion
Solidification
