COURS SUR LA MATIÈRE POUR CRPE DEUXIÈME PARTIE États

COURS SUR LA MATIÈRE POUR CRPE
DEUXIÈME PARTIE
Jean-Michel ROLANDO (Site de Bonneville)
États et changements d’état de l’eau
Généralisation aux corps purs
Introduction : l’eau et son importance dans la vie des hommes
1. L'abondance de l'eau sur la planète
L'eau des océans recouvre les 4/5ème de la planète Terre. L'eau douce, quant à elle, ne présente
pas la même abondance. En outre, elle se trouve pour l’essentiel sous forme de glace qui
recouvre les continents gelés (Antarctique, Groenland) ou dans le sous-sol, à des profondeurs
variables.
La répartition de l’eau sur Terre
Océans
Sous-sol
Glaciers
Fleuves et lacs
> 97 %
0,5 %
2%
0,01%
2. La gestion de l'eau
Si l’eau est abondante, c’est donc surtout sous forme d’eau de mer. L’importance des océans
est évidente : c’est la plus grande réserve alimentaire de la planète (animaux marins mais
aussi zooplancton et phytoplancton qui constituent le départ de nombreuses chaînes
alimentaires). Malheureusement, l’eau salée n’est pas directement utilisable par les hommes.
Elle n’est pas consommable : on peut mourir de soif en mer. Elle ne permet pas l’arrosage de
la plupart des végétaux (il y a quelques exceptions comme les salicornes qui poussent au
voisinage des marais salants). Des régions entières sont devenues stériles à la suite de
l'augmentation de la salinité des sols comme en Irak en aval des grands barrages turcs ou dans
la région de l'ex mer d'Aral. Enfin, l'eau salée est peu utile à l'hygiène : elle dissout mal les
savons ou autres détergents.
La question de la gestion de l’eau se ramène donc essentiellement à celle de l’eau douce. En
France, elle est puisée dans les cours d'eau, dans les lacs et dans le sous-sol. Elle est
acheminée dans des usines de traitement d'où elle ressort théoriquement potable (le traitement
de l'eau est une opération complexe qu'on ne détaillera pas ici). Elle est ensuite stockée dans
des réservoirs d'altitude ou dans des châteaux d'eau.
De nombreux pays ne disposent pas de ressources suffisantes en eau douce parfois à cause
d’une pluviométrie insuffisante, mais plus souvent pour des raisons économiques liées au coût
des installations de traitement et de distribution de l’eau.
3. La fragilité de l'eau douce
Elle tient à deux facteurs principaux.
• L'eau est un excellent solvant. Elle peut dissoudre en plus ou moins grande quantité de
nombreuses substances. C'est une chance car elle dissout ainsi des sels minéraux
indispensables aux organismes. Mais évidemment, la contre partie est que l'eau peut dissoudre
des substances au-delà de ce qui est strictement nécessaire aux organismes (nitrates). Elle peut
également dissoudre des substances toxiques (pesticides...).
Matière pour CRPE
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• Le deuxième facteur est qu'elle est liquide et qu'elle coule vers le bas. Elle s'accumule ainsi
dans les creux : les lacs et les rivières aux creux des vallées ; les nappes phréatiques dans le
sous-sol. Ces accumulations se font donc au-dessous de notre milieu de vie ce qui tend à
acheminer vers l'eau toutes les formes de pollution qui accompagnent notre mode de vie.
4. Eau propre, eau potable, eau pure... ?
• Le qualificatif "propre" est relatif et dépend de l'utilisation qu'on envisage. Par exemple, un
lac peut être propre pour la baignade mais sale pour la consommation directe.
• Le caractère potable d'une eau est défini par le pourcentage maximum des substances qui s'y
trouvent généralement et qui ne doit pas être dépassé.
• Le concept d'eau pure est facile à définir : aucune autre substance, inerte ou vivante, ne doit
s'y trouver. On précise parfois chimiquement pure (qui ne contient aucune autre substance
inerte) ou bactériologiquement pure (qui ne contient aucun organisme). Mais obtenir de l’eau
réellement pure est quasiment impossible compte tenu de sa grande aptitude à dissoudre les
substances avec lesquelles elle est en contact (les gaz constituant l’air par exemple).
Les états de l’eau : étude plus particulière de son état gazeux
• L'eau existe sous trois états physiques : état liquide (le plus habituel), état solide (la glace) et
état gazeux (la vapeur d'eau) sur laquelle il faut être attentifs à quelques confusions
fréquentes.
• La vapeur d'eau est l'état gazeux de l'eau. Elle est incolore, inodore, invisible,
imperceptible...
Bien qu'on ne la voit pas, il y a toujours de la vapeur d'eau dans l'air. On ne peut la mettre en
évidence qu'indirectement, en la condensant, c'est à dire en la transformant en buée (état
liquide).
On confond souvent brouillard, buée, fumées et vapeur d'eau.
Brouillard : minuscules gouttelettes d'eau
à l'état liquide, en suspension dans l'air.
Buée : gouttes d'eau à l'état liquide
déposées par condensation sur une surface
(vitre, sac en plastique ...).
Fumées (scientifiquement ce terme ne
s'emploie qu'au pluriel) : fines particules
solides (cendre, carbone ...) en suspension
dans l'air. Les fumées n'ont rien à voir
avec les changements d'état de l'eau.
Fusion et solidification de l’eau pure
1. Courbe de fusion / solidification
- Considérons une certaine quantité
d’eau à l’état solide (donc de la glace)
que l’on réchauffe progressivement.
L’évolution de la température en
fonction du temps a l’allure de la courbe
suivante.
- La valeur de la température à laquelle
se produit le palier ne dépend pas de la
quantité d’eau et très peu de la pression.
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2. Interprétation
→ Tant que T < 0°C, l’eau est à l’état solide.
→ La température est égale à 0°C pendant toute la durée du changement d’état. Elle est à la
base de la définition de l'échelle Celsius des températures. Elle ne dépend ni de la quantité
d’eau, ni de la température de l’environnement et très peu de la pression atmosphérique
(altitude du lieu).
→ On peut formuler cette propriété autrement : le mélange de glace et d'eau à l'état liquide ne
peut exister, de manière stable et durable, qu'à une seule température, qui ne dépend pas de la
température de l'environnement, et qui a été fixée, par convention, égale à 0°C.
→ Lorsque T > 0°C, l’eau est à l’état liquide.
3. Remarque importante
La propriété selon laquelle la température est stable pendant toute la durée du changement
d’état n’est valable que si elle est pure (très bonne approximation avec l’eau du robinet). Cette
propriété est généralisable à tous les corps purs. Mais elle n’est plus valable dans le cas d’un
mélange (eau salée par exemple). Quelques indications supplémentaires seront fournies dans
le chapitre 3 (mélanges et solutions).
Exercice corrigé
On place un verre d’eau initialement à 10°C dans un lieu où il fait –5°C
1.Tracer l’allure de la courbe représentant l’évolution de la température de l’eau
(supposée homogène) en fonction du temps.
2. Tracer dans une autre couleur l’allure de la courbe qu’on obtiendrait si la même
quantité d’eau, initialement à la même température, était placée en un lieu où il fait
-15°C.
Dans la deuxième graphique, les pentes des courbes sont plus raides, le palier est moins long
et la température de stabilisation est à –15°C au lieu de –10°C.
Ébullition de l’eau pure
1. Courbe d’ébullition
En chauffant progressivement de l’eau
initialement à l’état liquide, on peut tracer une
courbe similaire à celle du paragraphe précédent,
représentant l’évolution de la température en
fonction du temps. La température à laquelle
s’effectue le palier ne dépend ni de la quantité de
liquide, ni de la puissance de la source de
chauffage. En revanche, elle dépend assez
nettement de la pression (voir § 3).
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2. Interprétation
→ T < 100°C : l’eau est essentiellement à l’état liquide ; elle est surmontée d’un peu de
vapeur d’eau ; plus la température augmente, plus l’évaporation (en surface) est importante.
Attention : lorsque la température atteint une cinquantaine de degrés, on peut repérer un léger
frémissement, dû à de petites bulles d’air, qu’il ne faut pas confondre avec l’ébullition. L’air
est en effet légèrement soluble dans l’eau, et sa quantité diminue avec la température. D’où le
« dégazage » de l’air qui s’observe au cours de cette phase.
→ T = 100°C : l’eau est à l’ébullition ; il y a simultanément de l’eau à l’état liquide et de
l’eau à l’état gazeux (vapeur d’eau) dans le récipient. La température d'ébullition de l'eau
pure, à la pression atmosphérique normale de 1013 hPa (voir § 3), a été fixée, par convention,
égale à 100°C.
→ Il est difficile d’observer expérimentalement la troisième phase qui concernerait l’élévation
de la température de la vapeur d’eau car en milieu ouvert celle-ci s’échappe dans l’air.
3. Influence de la pression
La température d’ébullition dépend nettement de la pression qui surmonte le liquide. La
pression s’exprime en pascals (Pa) mais surtout par l’intermédiaire d’un multiple
l’hectopascal (hPa).
• Si l’expérience est effectuée à l’air libre, la pression est alors la pression atmosphérique qui
dépend déjà des conditions météorologiques. Elle est dite « normale » lorsqu’elle est égale à
1013 hPa. C’est le cas par temps « normal » (ni anticyclone, ni dépression) au niveau de la
mer. La pression atmosphérique varie aussi notablement avec l’altitude. Donc la température
d’ébullition aussi. Pour mémoire, par temps « normal », l’eau bout à 100°C au niveau de la
mer et à 92°C à 2000m d’altitude.
• Si l’expérience est réalisée en milieu fermé (autocuiseur) la vapeur qui ne peut pas
s’échapper contribue à une augmentation de la pression. Le phénomène pourrait être
dangereux, mais il est régulé, dans l’autocuiseur, par l’ouverture intermittente d’une soupape.
À l’intérieur d’un autocuiseur, la pression est environ égale à deux fois la pression
atmosphérique normale et la température d’ébullition égale à environ 120°C. C’est ce qui
explique la cuisson plus rapide des aliments.
Généralisation
1. Courbe de changements d’états
Les deux courbes précédentes
peuvent se représenter sur le même
graphique. Leurs caractéristiques
sont généralisables à tous les corps
purs. Les paliers se situent à une
température qui ne dépend ni de la
quantité du corps pur ni de la
puissance de la source de chaleur,
ni de la température de l’environnement.
Elle dépend plus ou moins de la pression
(très peu pour le palier de fusion /
solidification ; assez nettement
pour le palier d’ébullition).
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2. Précisions importantes
• La notion de « température de changement d’état » n’a de sens que pour un corps pur. Si,
par exemple, on procède avec de l’eau salée, la courbe montrant l’évolution de la température
ne présentera plus les paliers caractéristiques ci-dessus.
• Dans le cadre de ce concours, on peut limiter la connaissance de l’influence de la pression
aux propriétés suivantes
→ La t° de fusion / solidification dépend très peu de la pression.
→ La t° d’ébullition en dépend assez nettement. Deux conséquences à connaître :
- modification de la température d’ébullition avec l’altitude (cf. ci-dessus)
- modification de la t° d’ébullition dans les autocuiseurs où la pression est supérieure à
la pression atmosphérique (t°éb = 120°C dans un autocuiseur classique).
Distinction entre vaporisation, évaporation et ébullition
- La vaporisation est le nom général donné au passage de l’état liquide à l’état gazeux. Il peut
s’effectuer de deux manières différentes.
- Par ébullition : Au cours de celle-ci, le changement d'état est rapide, il s'effectue dans tout le
volume du liquide et à une température constante. Les bulles, visibles à l'intérieur du liquide,
sont des bulles de vapeur d'eau, et non des bulles d'air (voir plus haut).
- Par évaporation : le changement d'état s'effectue lentement et en surface. Il ne s'effectue pas
à température constante (l'eau s'évapore à toute température pourvu qu’elle soit à l’état
liquide).
Vitesse d'évaporation de l’eau
1. Définition
Volume évaporé par unité de temps.
2. Propriétés
Elle dépend de la température, de la surface en contact avec l'air ambiant (appelée surface
libre du liquide) et de la circulation d’air au voisinage de la surface de séparation eau / air
(aération du lieu où s'effectue l'évaporation, ventilation).
3. Généralisation
Si l’on opère avec différents liquides, il faut ajouter que la vitesse d’évaporation dépend aussi
de la nature du liquide. Par exemple, l’éthanol (alcool) s’évapore plus vite que l’eau qui, ellemême, s’évapore plus vite que l’huile.
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4. Quelques expériences possibles
Expérience montrant l’influence de la surface libre
Expérience montrant l’influence de la température
Expérience montrant l’influence de la ventilation
(renouvellement d’air). On peut aussi opérer avec un
ventilateur.
Exercices corrigés
1. En hiver, quatre personnes pénètrent dans une voiture. Rapidement, les vitres,
initialement sèches, se couvrent de buée à l’intérieur du véhicule.
D’où provient cette buée ? Comment se forme-t-elle ?
2. Pourquoi, en déclenchant le chauffage et la ventilation, la buée disparaît-elle ?
1. Un être humain dégage de la vapeur d’eau par sa respiration et sa transpiration. Cette
vapeur d’eau est l’état gazeux de l’eau ; elle est invisible. Lorsque la vapeur d’eau dégagée
par les 4 personnes entre en contact avec la surface intérieure des vitres, elle se liquéfie, c’est
à dire passe à l’état liquide, d’autant plus aisément que les vitres sont froides (ce qui est la cas
en hiver). Il se forme de fines gouttelettes de buée.
2. Pour « disparaître », la buée doit s’évaporer, c’est à dire repasser à l’état gazeux. La vitesse
d’évaporation de l’eau est accentuée par la chaleur et par la ventilation (c’est à dire le
renouvellement de l’air au contact de la surface du liquide). Ainsi, on peut faire disparaître la
buée sur les vitres comme le précise l’énoncé en déclenchant le chauffage et la ventilation.
Dans les marais salants, les paludiers
raclent le sel au fond des « œillets » et le
rassemblent en petits tas.
1. Comment est-ce possible, puisque le sel
est soluble dans l’eau ?
2. Quelles sont les caractéristiques
climatiques idéales pour la récolte du
sel ?
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1. Le sel est soluble dans l’eau mais jusqu’à une certaine limite. Lorsque l’eau de mer
s’évapore, le sel reste dans les bassins. La concentration en sel augmente jusqu’à atteindre le
seuil de saturation. La fraction de sel qui n’est pas en solution se dépose donc au fond du
bassin et peut être raclée.
2. La récolte est favorisée par des températures élevées et la présence de vent.
Sublimation, condensation de l’état gazeux à l’état solide
1. Sublimation
Le passage direct de l’état solide à l’état gazeux (sublimation) sans passage par l’état liquide
est assez rare mais néanmoins observable.
• Cas de l’eau
- la neige par temps très froid disparaît progressivement sans pour autant passer par état
liquide : elle passe directement de l’état solide à l’état gazeux.
• Autre exemple classique
- le naphtalène (substance plus connue sous le nom de naphtaline ou anti-mites) passe
directement de l’état solide à l’état gazeux ; on peut s’apercevoir de son odeur sans pour
autant repérer la moindre trace de liquide.
2. Condensation
Le passage inverse (gaz → solide) porte le nom de condensation de l’état gazeux à l’état
solide. On peut citer l’exemple du givre.
Schéma récapitulatif
• Le terme « condensation » est employé dans deux changements d’état. On précise parfois
« condensation liquide » et « condensation solide ». Il est préférable d’utiliser le terme
« liquéfaction » pour la transformation « état gazeux → état liquide ».
• Il y a conservation de la matière et de la masse lors d'un changement d'état.
• Il n'y a pas conservation du volume lors d'un changement d'état.
Le cycle de l’eau dans la nature
Le schéma suivant indique les transferts et les transformations essentiels. Les valeurs
numériques sont évidemment données à titre indicatif et il n’y a pas lieu de les mémoriser.
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Vive l'eau, Jean Matricon, Découvertes Gallimard, 2000
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