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Fiche de physique






I. Les états physiques de l'eau

L'eau existe sous trois états physiques : solide (glace), liquide (eau), gaz (vapeur d'eau).
On peut l'observer naturellement sous différentes formes : neige, grêle (solide) - pluie, givre, brouillard, buée (liquide)
Les changements d'états sont réversibles

*Comment se forment les nuages ?
Tout d'abord, un nuage n'est pas constitué de vapeur d'eau mais de fines gouttelettes d'eau et de cristaux de glace car la vapeur d'eau est invisible.
Pour qu'il y ait formation d'un nuage, il faut tout d'abord qu'il y ait de l'air humide au sol. Cet air humide est soulevé en altitude, donc va aller de plus en plus haut mais il va toujours garder la même quantité de vapeur d'eau.

À une certaine altitude, cet air humide va atteindre un seuil où la quantité de vapeur qu'il contient sera maximale (il ne pourra pas en contenir plus) : on dit que l'air est saturé en vapeur d'eau. En augmentant son altitude, la vapeur d'eau qui ne pourra pas être contenue dans l'air va se liquéfier autour des noyaux de condensation (fines particules de poussières invisibles) et va permettre la formation des nuages de gouttelettes d'eau.
En augmentant encore son altitude, la vapeur d'eau et les gouttelettes vont se condenser autour des noyaux de congélation et va permettre la formation des nuages de cristaux de glace.


II. Propriétés des états physiques

La matière est constituée de molécules, elles mêmes constituées d'atomes. La différence d'assemblage des molécules dans la matière permet d'expliquer la présence de ces trois états.
Nous allons montrer comment sont assemblées les molécules dans chaque état, citer quelques proprietés des ces états et les illustrer avec l'eau.

Définition :
Surface libre : surface en contact avec l'air



1. L'état solide

* Assemblage : les molécules sont en contact entres elles et sont extrêmement resserrées (on peut considerer qu'elle sont attachées entres elles). Cela donne donc un état compact et ordonné.

* Propriétés : un solide peut être pris totalement ou partiellement dans la main. Un solide que l'on pourra prendre dans sa main totalement sera appelé solide compact (glace) et un solide dont on ne pourrait prendre qu'une petite quantité sera appelé solide divisé (sable).
Les solides compacts ont une forme propre tandis que les solides divisés prennent la forme du récipient dans lequel ils sont mais ont une surface libre quelconque.

Illustration :
Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 4


2. L'état liquide

* Assemblage : les molécules sont en contact entres elles mais ne sont pas attachées entres elles, elles glissent les unes sur les autres : c'est un état compact et désordonné

* Propriétés : les liquides n'ont pas de forme propre car ils prennent la forme du récipient qui les contient.

Illustrations :
Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 1

Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 2


3. L'état gazeux

* Assemblage : les molécules ne se touchent pas. Entre les molécules, il y a du vide, c'est à dire absence de matière. Les molécules sont en perpétuelle agitation.

* Propriétés : les gaz n'ont pas de forme propre. Ils sont cepdendant très compressibles et expansibles.

Définitions :
* Compressibilité : caractéristique d'un corps à pouvoir réduire son volume sous une pression donnée.
* Expansibilité : caractéristique d'un corps à pouvoir occuper l'espace qui lui est attribué.



Illustration : utilisation d'une seringue
Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 6



III. Les changements d'états de l'eau

1. La solidification

Définition :
La solidification est le passage de l'état liquide à l'état solide.


Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 7


2. La fusion

Définition :
La fusion est le passage de l'état solide à l'état liquide.


Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 8


3. La vaporisation

Définition :
La vaporisation est le passage de l'état liquide à l'état gazeux.


Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 9


4. La liquéfaction

Définition :
La liquéfaction est le passage de l'état vapeur à l'état liquide.


Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 10


5. Condensation et Sublimation


Définitions :
* La condensation est le passage de l'état gazeux à l'état solide.
* La sublimation est le passage de l'état solide à l'état vapeur.



Il n'est pas possible d'observer ces phénomènes à pression ambiante avec l'eau. Il est cependant possible de le faire avec l'iode :
Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 5



IV. Le cycle de l'eau

Voir la fiche fiches L'eau dans notre environnement et dans l'alimentation



V. Unité de masse et de volume

1. Masse

* Tableau des unités de masse :

T (tonne) Q (quintal) * kg (kilogramme) hg (hectogramme) dag (décagramme) g (gramme) dg (decigramme) cg (centigramme) mg (miligramme)

* * µg (microgramme) * * ng (nanogramme) * * pg (picogramme)


Le symbole * signifie qu'il n'y a pas de nom pour la colonne.

Remarque : il est important de savoir convertir une unité en une autre.

* Préfixe : kilo (1000), hecto (100), deca (10), deci (0,1), centi (0,01), mili (0,001), micro (0,000001), nano (0,000000001), pico (0,000000000001)
On voit donc facilement qu'un kilogramme, c'est mille fois un gramme donc 1 kg = 1 g; un miligramme, c'est un millième de fois un gramme donc 1g = 0,001 mg etc...

L'utilisation de ce tableau est extrement simple pour convertir dans une autre unité (à condition de l'avoir en tête)

Si on veut convertir 1 kg en dg, il suffit de placer le 1 dans la colonne kg et de remplir de 0 jusqu'à la colonne dg. On obtient donc 1kg = 10 000dg
Si on veut convertir 20 hg en g, on place le dernier chiffre (0) dans la colonne hg et on remplit de 0 jusqu'à la colonne g. On obtient donc 20hg = 2000g
Si on veut convertir 1 mg en g, on place le 1 dans la colonne mg et on remplit de 0 jusqu'à la colonne g et sans oublier la virgule. On obtient donc 1mg = 0,001g

Il n'est pas interdit de rajouter une colonne quand il en manque une (pour écrire 200 tonnes ou 0,001 picogramme par exemple).
Voici un tableau rempli avec les exemples précédents :
Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 11


* La masse d'un solide compact
Pour mesure la masse d'un solide compact, on utilise une balance et on lit sa masse sur le cadran.

* La masse d'un solide divisé
Pour mesurer la masse d'un solide divisé, il y a deux façons.
- Soit on pose un bécher sur la balance, on lit une masse A puis on met le sable dans le bécher, on lit une masse B et on fait la différence B-A pour trouver la masse du sable.
- Soit on pose le bécher sur la balance numérique et on appuie sur le bouton "TARE" ce qui aura pour effet de mettre la masse à 0g. On met ensuite le sable et on peut directement lire sa valeur sur le cadran.

*La masse d'un liquide
La mesure de la masse d'un liquide se fait avec la même méthode que pour les solides divisés.

2. Le volume

Si l'utilisation du tableau des unités de masse est relativement simple, celui des volumes est un peu plus compliqué car il existe deux sortes de tableau : celui des litres et des mètres cubes.

Le tableau des unités de volume en litres correspond au tableau des unités de masse en remplaçant "gramme" par "litre" (kilogramme devient kilolitre, décagramme devient décalitre, miligramme devient militre) et en supprimant les colonnes tonne et quital (la tonne et le quintal sont utilisés exclusivement pour les masses).
Le tableau des unités de volume en mètres cubes a une particularité, celle de posséder trois sous colonnes par colonne. C'est assez compréhensible car un mètre cube, c'est un mètre (une colonne) multiplié par un mètre (une colonne) multiplié par un mètre (une colonne). On a donc trois sous colonnes par colonne.
La principale difficulté sera donc de convertir d'un tableau à l'autre.

Voici les deux tableaux d'unités :

kl
(kilolitre)
hl
(hectolitre)
dal
(decalitre)
l
(litre)
dl
(decilitre)
cl
(centilitre)
ml
(mililitre)
*

* µl
(microlitre)
* * nl
(nanolitre)
* * pl
(picolitre)



km3 hm3 dam3 m3 dm3 cm3 mm3
                                         


Le plus simple est d'apprendre quelques équivalences entre les deux tableaux.
Les deux qu'on retient généralement sont : 1 dm3 = 1 L et 1 cm3 = 1 ml.
De plus, 1 kg = 1L et 1 g = 1 mL.



Exemple : Pour convertir des L en mL ou des m3 en hm3, on utilise le tableau correspondant.
Pour convertir 1 hL en cm3, on utilise les équivalences. On convertit 1 hL en litre soit 100 L puis on utilise l'équivalence ce qui donne 100 L = 100 dm3. Ensuite, on convertit en cm3 ce qui donne 100 dm3 = 100 000 cm3.

N.B : En laboratoire, on utilise beaucoup plus les unités en litre mais l'unité du système international (Unité S.I) est le mètre cube.

*Mesure du volume d'un solide
Quelques formules à retenir :
* Volume d'un cube de coté c vaut c3
* Volume d'un pavé droit de longueur L, de largeur l et de hauteur h vaut L \times h \times l
* Volume d'un cylindre de rayon r et de hauteur h vaut \pir2 \times h



Important : quand on calcule le volume avec une formule (ceci est vrai pour les calculs de longueurs, surfaces, masses etc.), il faut veiller à ce que toutes les longueurs soient dans la même unité.

*Mesure du volume d'un solide irrégulier
Exemple de solide irrégulier : une pierre
On remplit une éprouvette graduée d'eau et on lit le volume en regardant la graduation de l'éprouvette.
On plonge la pierre dans l'éprouvette et on lit le volume. Le volume de la pierre est la différence entre le deuxième et le premier volume.

Attention : la lecture de la graduation se fait en lisant au bas du ménisque (forme arrondie de la surface libre)


VI. Conservation de la masse et variation de volume lors des changements d'états

Lors d'un changement d'état, les molécules s'éloignent ou se rapprochent (d'où la variation de volume) mais n'agumente pas et ne se réduit pas.
On pourrait penser que si le volume augmente, la masse augmente mais lorsque les molécules s'éloignent, il y a uniquement du vide entre elles et le vide a une masse nulle.

Une petite expérience simple permettant de constater ce phénomène : la fusion d'un glaçon.

Mettons un glacon (de masse m=7,336g) ayant la forme d'un cube de côté 2cm dans une éprouvette et attendons sa fusion.
Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 12


Le glaçon a un volume de 8cm3.
Après la fusion, on peut lire sur la graduation de l'éprouvette 7,3mL. Si on pèse le liquide, on trouvera une masse de 7,336g.

On a vu que lorsqu'un liquide se solidifiait, les molécules se rapprochaient et s'attachaient entres elles (Le volume diminue donc). Il est donc assez particulier de voir que l'eau en se solidifiant, augmente de volume.
C'est une particularité de certains composés. Dans le cas de l'eau, en se solidifiant, ses molécules adoptent une disposition spéciale qui explique l'augmentation du volume.
Le sodium, l'argent et le bismuth possèdent également cette particularité.

Changement d'état :
Au cours d'un changement d'état, il y a variation de volume et conservation de la masse.



*La fonte des icebergs et des glaciers ferait-elle augmenter le niveau de l'eau ?
Illustration : expérience du glaçon dans l'eau :
Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 16

Lors de la fusion du glaçon, la hauteur de l'eau ne varie pas, étrange non ?

Il faut savoir que pour la glace, seule 10% du glaçon émerge de l'eau et 90% reste en dessous.
Quand l'eau passe de l'état solide à l'état liquide, son volume diminue de 10%.

Quand on met le glaçon dans le verre, le volume de l'eau augmente de 90% du volume du glaçon.
Ensuite, il y a fusion et on s'attendrait plutôt à voir une augmentation de la hauteur (Le volume des 90% du glaçon immergé qui est passés à l'état liquide remplacerait le volume des 90% du glaçon solide et les 10% restant contribueraient à faire augmenter la hauteur).
Mais la fonte du glaçon s'accompagne d'une diminution de 10% de son volume donc les 10% du glaçon qui contribueraient à faire augmenter la hauteur sont compensée par cette diminution de volume.

La fonte des icebergs ne ferait pas augmenter le niveau de la mer. Les glaciers par contre ne sont pas situés dans l'eau et dans ce cas la hauteur augmenterait. (C'est comme si on avait un glaçon en dehors de l'eau que l'on mettrait dans un verre d'eau, il y aurait évidemment une variation de la hauteur).

N.B : Cette expérience fonctionne seulement si le solide et le liquide sont le même composé.

*Pourquoi les canalisations d'eau éclatent par grand froid ?
Illustration : expérience de la bouteille d'eau dans le congélateur :
Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 17

Lorsque l'on place une bouteille d'eau remplie au congélateur, la bouteille explose.
Ceci s'explique tout simplement par l'augmentation du volume de l'eau pendant sa solidification. Son volume augmente et la bouteille, ne pouvant pas contenir ce volume, explose.

L'explication est la même pour les canalisations gelées, le volume grandit en se solidifiant et la canalisation explose.
Le même problème se pose lors du moulage de l'argent (qui possède cette même propriété que l'eau).


VII. La température

1. Température d'un corps

La température sert à caractériser l'état d'un corps.
On utilise communément pour mesurer une température, le degré Celsius (noté °C). Il existe plusieurs autres échelles de température : le degré Farenheit (°F, mesure anglo-saxonne) et le Kelvin (K, unité S.I).
Le 0 de l'échelle Celsius est la température à laquelle l'eau se solidifie.
Le 0 de l'échelle Farenheit est la température la plus basse qu'ait observé Farenheit pendant l'hiver de 1708/1709.
Le 0 de l'échelle Kelvin est la température la plus basse possible. On parle du 0 absolu.

Pour mesurer la température, on utilise un thermomètre que l'on plonge là où on veut connaître la température.

2. Variation de la température lors d'un changement d'état

* Expérience : prenons un mélange réfrigérant (1/3 sel, 2/3 glace). Plongeons un tube à essai contenant 5mL d'eau pure et plaçons-y un thermomètre.
Nous allons suivre la température de l'eau pure avec le thermomètre.
Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 3

* Résultat : voici le graphique de la température en fonction du temps :
Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 13

On remarque que lors de la solidification à 0°C, la température reste constante. On dit qu'il y a existence d'un palier de température.
Ce palier de température est généralisable à tous les changements d'états pour un corps pur.

Palier de changement d'état :
Lors d'un changement d'état d'un corps pur, la température reste constante.



Remarque : en refaisant l'expérience avec de l'eau salée, on obtiendrait le graphique suivant :
Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 14

On s'aperçoit qu'il n'y a pas de palier de température car c'est un mélange et l'eau salée ne se solidifie pas à 0°C mais à -23,5°C. C'est d'ailleurs pour cette raison que l'on verse du sel sur le verglas en hiver pour qu'il y ait fusion.


VIII. Energie lors des changements d'états

Pour changer d'état, le corps peut avoir besoin d'énergie ou au contraire, peut en rejeter.
L'énergie vient de la chaleur qu'il y a dans l'air. Lors de la fusion d'un glaçon à température ambiante, le glaçon prend la chaleur (calorie) contenu dans l'air afin de passer à l'état liquide. (En chauffant le glaçon, on apporte une plus grande quantité d'énergie calorifique, la fusion a lieu plus rapidement)
Des six changements d'états, trois ont besoin d'énergie : la fusion, la vaporisation et la sublimation. Les trois autres : condensation, liquéfaction et solidification rejettent de l'énergie (sous forme de chaleur).


IX. Variation de la température d'ébulliton avec la pression

Dans toutes les expériences que nous avons effectuées jusqu'alors, nous étions à pression ambiante. Mais est-ce que l'eau se vaporise à 100°C partout ?

Expérience : ébullition de l'eau sous pression réduite
Changements d'états de l'eau : approche phénoménologique : image 15

On s'aperçoit que l'eau entre en ébullition à température ambiante, incroyable non ?
La température d'ébullition varie en fonction de la pression. Nous sommes habitués à voir une ébullition à 100°C parce que nous la faisons à chaque fois à pression ambiante.

Température d'ébullition :
Si la pression augmente, la température d'ébulltion augmente.
Si la pression diminue, la température d'ébullition diminue.



*Pourquoi une cocotte minute fait-elle cuire les aliments plus rapidement qu'une casserole ?
La cocotte-minute est une enceinte hermétiquement close qui contient toute la vapeur d'eau. Cette vapeur d'eau crée une surpression et de ce fait, la pression est supérieure à la pression athmosphérique et la température d'ébullition va s'en trouver augmentée. L'eau liquide pourra donc atteindre une température nettement plus élevée sans vaporisation (de l'ordre de 120°C).



Merci à ProfilSkops Skops pour avoir contribué à l'élaboration de cette fiche

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