L'Eau dans notre Environnement : Omniprésente
📝 Situation du Projet
Vous êtes jeune chercheur au sein du Laboratoire d'Études Hydrologiques des Alpes (LEHA). Dans le cadre du programme de surveillance du réchauffement climatique, votre équipe a effectué des prélèvements au pied du Glacier Blanc. L'eau est omniprésente sur Terre, mais elle apparaît sous des formes très différentes selon les conditions de température et de pression.
Votre mission consiste à analyser les échantillons rapportés du glacier pour comprendre le cycle de l'eau local. Vous devez identifier les états physiques de la matière, étudier le phénomène de fusion de la glace et vérifier rigoureusement, par le calcul et l'expérience, les lois de conservation de la masse et de variation du volume. Cette étude est cruciale pour calibrer les modèles de fonte des glaces.
En tant que Physicien Junior, vous devez caractériser les changements d'état de l'eau. Vous devrez prouver par le calcul que la masse se conserve lors de la fusion, contrairement au volume, et valider les relevés expérimentaux du terrain.
"Attention aux unités lors des calculs de masse volumique. N'oubliez pas que la glace occupe plus de volume que l'eau liquide pour une même masse, c'est une anomalie unique de l'eau !"
L'ensemble des données ci-dessous constitue la base de travail pour votre analyse. L'expérience réalisée au laboratoire utilise de l'eau pure prélevée (filtrée). Il est important de noter que les conditions de l'expérience sont celles d'une pression atmosphérique standard au niveau de la mer (1013 hPa), ce qui influence directement les températures de changement d'état.
📚 Référentiel Physico-Chimique
Nous travaillons sur un corps pur, ce qui signifie que l'eau ne contient aucune autre substance dissoute (ni sel, ni minéraux). Cela garantit des paliers de température parfaits lors des changements d'état.
Les constantes suivantes sont admises pour l'eau pure. Notez particulièrement la différence de masse volumique entre l'état liquide et solide, qui est au cœur de l'étude de l'anomalie dilatométrique.
| CONSTANTES PHYSIQUES | |
| Température de fusion (Melting) | 0 °C |
| Température d'ébullition | 100 °C |
| Masse volumique (Eau Liquide) | 1,0 g/mL (ou g/cm³) |
| Masse volumique (Glace) | ~ 0,917 g/mL |
⚗️ Données Expérimentales (Relevés Laboratoire)
Lors de l'expérience en laboratoire, nous avons placé des glaçons dans un bécher et nous les avons laissés fondre naturellement à température ambiante. Voici les mesures exactes relevées par l'équipe technique avant le début de la fusion.
- Masse du bécher vide (Tare) : 120 g
- Masse totale (Bécher + Glaçons) avant fusion : 270 g
- Durée totale de l'expérience : 20 minutes
⚖️ Matériel Utilisé
La précision des instruments est capitale pour confirmer la loi de conservation de la masse.
| Donnée | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Masse volumique Eau | \(\rho_{\text{eau}}\) | 1,0 | g/mL |
| Masse volumique Glace | \(\rho_{\text{glace}}\) | 0,917 | g/mL |
| Masse totale initiale | \(m_{\text{totale}}\) | 270 | g |
E. Protocole de Résolution
Pour mener à bien cette analyse physique complète, nous allons suivre une démarche scientifique rigoureuse, allant de l'observation qualitative à la démonstration quantitative.
Identification & Observation
Repérer les trois états de l'eau sur le schéma de situation et les associer aux propriétés macroscopiques (forme, volume).
Analyse du Changement d'État
Étudier l'évolution de la température lors de la fusion de la glace pure et caractériser le palier de température.
Loi de Conservation de la Masse
Démontrer par le calcul que la masse de matière reste strictement identique avant et après le changement d'état.
Variation du Volume
Calculer les volumes respectifs de la glace et de l'eau liquide pour prouver la non-conservation du volume (Anomalie de l'eau).
L'Eau dans notre Environnement : Omniprésente
🎯 Objectif Scientifique
L'objectif premier de cette étape est de savoir observer l'environnement pour y reconnaître les différentes manifestations de l'eau. En physique, il est fondamental de ne pas confondre la substance chimique (la molécule d'eau \(H_2O\)) et son aspect physique (solide, liquide, gaz). Cette compétence est la base de toute étude thermodynamique.
📚 Référentiel & Définitions
Modèle ParticulaireÉtats de la matièrePour identifier correctement un état, je dois regarder les propriétés macroscopiques (ce que je vois à l'œil nu) :
- Est-ce que cela a une forme propre ? (Si oui -> Solide)
- Est-ce que cela coule et prend la forme du récipient tout en gardant une surface plane ? (Si oui -> Liquide)
- Est-ce invisible et cela occupe-t-il tout l'espace disponible ? (Si oui -> Gaz)
Dans le schéma de situation, les nuages sont un piège : ils sont constitués de gouttelettes liquides, mais ils indiquent la présence de vapeur d'eau invisible dans l'atmosphère.
La matière est constituée de particules (molécules). Leur comportement définit l'état :
1. État Solide (Glace) : Les molécules sont ordonnées, serrées et liées. La glace a une forme propre.
2. État Liquide (Eau) : Les molécules sont serrées mais désordonnées (elles glissent les unes sur les autres). L'eau liquide n'a pas de forme propre, elle prend celle du contenant.
3. État Gazeux (Vapeur d'eau) : Les molécules sont dispersées, très agitées et éloignées. Le gaz est compressible et expansible.
Fig 1. Modèle particulaire : Zoom sur l'arrangement moléculaire
Étape 1 : Données d'Entrée
| Observation Zone A | Observation Zone B | Observation Zone C |
|---|---|---|
| Glacier, Neige | Rivière, Lac | Atmosphère, Humidité |
Pour savoir si un corps est solide ou liquide, demandez-vous : "Puis-je le saisir avec mes doigts ?". Si oui, c'est un solide. L'eau liquide glisse entre les doigts.
Analyse de la Carte des Prélèvements
🔎 Détail des Manipulations
La méthode ici est comparative : nous observons la forme prise par la matière dans chaque zone et nous la comparons aux définitions des états physiques.
1. Analyse de la Zone A (Haute Montagne)Observation : Nous voyons un glacier et de la neige éternelle. La matière est dure, on peut la saisir, elle ne coule pas.
Interprétation : Les molécules sont figées dans une structure cristalline ordonnée.
2. Analyse de la Zone B (Vallée)Observation : L'eau s'écoule dans le lit de la rivière et remplit le lac. La surface du lac est plane et horizontale.
Interprétation : Les molécules sont mobiles mais restent liées entre elles par des liaisons hydrogène.
Observation : L'air ambiant contient de l'humidité invisible qui permet la formation des nuages.
Interprétation : Les molécules sont libres et occupent tout le volume disponible.
Cette coexistence est normale sur Terre car les conditions de température et de pression varient selon l'altitude (Glacier froid vs Vallée tempérée).
Ne confondez pas "fumée" ou "brouillard" avec le gaz. La vapeur d'eau est un gaz invisible. Ce que l'on voit au-dessus d'une casserole qui bout, ce sont de minuscules gouttelettes d'eau liquide (brouillard) formées par la condensation de la vapeur au contact de l'air frais.
🎯 Objectif Scientifique
Il s'agit ici de comprendre comment la température évolue lorsqu'on chauffe de la glace. L'objectif est de mettre en évidence une propriété caractéristique des corps purs : le palier de température lors du changement d'état.
📚 Référentiel
Changement d'étatCorps PurLorsque je sors les glaçons du congélateur (à -18°C) et que je les laisse à température ambiante, ils se réchauffent. Mais attention ! Dès que la première goutte d'eau liquide apparaît, la physique impose une règle stricte : tant qu'il reste un morceau de glace solide mélangé à l'eau liquide, la température va "bloquer". C'est ce qu'on appelle un palier.
La fusion est le passage de l'état solide à l'état liquide. Pour l'eau pure, sous pression atmosphérique normale :
- La fusion commence à 0°C.
- Pendant toute la durée de la fusion, la température reste constante à 0°C. L'énergie fournie sert à briser les liaisons entre les molécules solides, pas à augmenter la température.
- C'est une signature unique de l'eau pure.
Voici l'allure de la courbe de température obtenue lors de l'expérience :
Étape 1 : Données d'Entrée
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Corps étudié | Eau Pure |
| Température Ambiante | 20°C |
Si la température ne reste pas parfaitement stable à 0°C (si elle monte doucement), cela signifie souvent que l'eau n'est pas pure (présence de sel par exemple) ou que le thermomètre touche le fond du bécher qui est plus chaud.
Analyse de l'Expérience
🔎 Détail des Manipulations
La manipulation consiste ici à relever la température toutes les minutes et à tracer le graphique. La "lecture" se fait en identifiant la zone horizontale du graphique.
1. Température de Changement d'ÉtatSur le thermomètre, nous observons que la température stagne bien que la température de la pièce soit de 20°C. C'est la température de fusion.
Tant que cette température est maintenue, le changement d'état est en cours.
Ce résultat est cohérent avec la définition d'un corps pur. Un mélange (comme l'eau salée) fondrait sur une plage de température (ex: de -2°C à -0.5°C).
Attention à ne pas confondre fusion (solide vers liquide) et liquéfaction (gaz vers liquide). Les températures ne sont pas les mêmes (0°C contre 100°C).
🎯 Objectif Scientifique
Nous devons prouver mathématiquement que la quantité de matière ne change pas lors d'un changement d'état. C'est le principe fondamental de Lavoisier : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme". Si nous avons 150g de glaçons, nous devons obtenir exactement 150g d'eau liquide.
📚 Référentiel
Loi de LavoisierConservation de la massePour vérifier cela, nous allons isoler la masse de l'eau. La balance mesure la masse totale (Bécher + Eau). Nous devons soustraire la masse du contenant (la tare) pour obtenir la masse nette de l'échantillon avant et après la fusion. Si l'expérience est bien faite (pas d'éclaboussures, pas d'évaporation significative), les deux masses doivent être identiques.
Lors d'un changement d'état physique, les molécules restent les mêmes. Leur nombre ne change pas, leur masse individuelle ne change pas. Seul leur arrangement spatial et leur agitation changent. Par conséquent, la masse totale du système reste strictement invariante.
1. Formule de la Masse Nette
🔎 Détail des Manipulations
La masse affichée par la balance comprend la masse du verre (\(m_{\text{bécher}}\)) et celle de l'eau (\(m_{\text{échantillon}}\)). Pour trouver la masse de l'eau seule, nous devons inverser l'addition en faisant une soustraction.
La masse nette de l'échantillon est obtenue par soustraction de la masse du contenant à la masse totale mesurée.
Fig 2. Simulation de la pesée : La masse reste inchangée.
Étape 1 : Données d'Entrée
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Masse du bécher vide | 120 g |
| Masse Totale (État Solide) | 270 g |
Sur une balance électronique, le bouton "TARE" effectue cette soustraction automatiquement en remettant l'affichage à zéro avec le récipient vide posé dessus.
Calculs Détaillés
2. Calcul de la masse initiale de GlaceNous calculons la masse de glace présente dans le bécher au début de l'expérience en remplaçant les variables par les valeurs mesurées.
Nous avons donc mis en œuvre exactement 150 grammes d'eau solide au départ.
3. Déduction de la masse finale d'Eau LiquideD'après la loi de conservation de la masse, le nombre de molécules ne change pas pendant la transformation physique. Elles s'éloignent simplement les unes des autres.
La masse attendue à la fin de l'expérience est donc identique.
Nous pouvons affirmer avec certitude que la masse s'est conservée. Le changement d'état n'a pas fait disparaître de matière.
Sur la balance, l'affichage restera bloqué sur 270.0g du début à la fin de la fonte (si l'on néglige l'évaporation infime). C'est un résultat classique et robuste.
Attention, si l'expérience dure très longtemps ou s'il fait très chaud, une petite partie de l'eau liquide peut s'évaporer. La masse finale pourrait être très légèrement inférieure (ex: 149.8g), mais cela est dû à l'évaporation, pas à la fusion.
🎯 Objectif Scientifique
C'est l'étape la plus contre-intuitive ! Contrairement à la masse, le volume change. Nous allons calculer le volume occupé par nos 150g d'eau sous forme de glace, puis sous forme liquide, pour prouver que la glace prend plus de place. C'est l'anomalie dilatométrique de l'eau.
📚 Référentiel
Masse volumiqueRelation \(m = \rho \times V\)Pour relier la masse (qui ne bouge pas) au volume (qui change), j'utilise la masse volumique \(\rho\) (rho). La formule de base est \(\rho = m / V\). Pour trouver le volume, je dois transformer cette formule : \(V = m / \rho\).
Attention aux unités ! La masse est en grammes (g), la masse volumique en g/mL, donc le volume sera en mL.
Pour la plupart des matières, le solide est plus dense que le liquide (le volume diminue en solidifiant). L'eau est une exception rare : grâce à la structure hexagonale des cristaux de glace, les molécules sont plus espacées dans la glace que dans l'eau liquide. Donc la glace est moins dense et occupe plus de volume.
1. Formule de Calcul du Volume
🔎 Détail des Manipulations Algébriques
Nous partons de la définition de la masse volumique.
Pour isoler \(V\), nous effectuons deux opérations : nous multiplions d'abord les deux côtés par \(V\) (ce qui donne \(\rho \times V = m\)).
Puis nous divisons les deux côtés par \(\rho\) pour obtenir \(V\) seul.
Le volume d'une substance est proportionnel à sa masse et inversement proportionnel à sa masse volumique.
Fig 3. Simulation des volumes dans des éprouvettes graduées identiques
Étape 1 : Données Techniques
| Type | Valeur |
|---|---|
| Masse de l'eau (m) | 150 g |
| Masse volumique Glace (\(\rho_{\text{solide}}\)) | 0,917 g/mL |
| Masse volumique Eau Liquide (\(\rho_{\text{liquide}}\)) | 1,000 g/mL |
Diviser par un nombre plus petit que 1 (comme 0,917) donne un résultat plus grand. C'est pour cela que le volume de la glace sera supérieur à celui du liquide.
Calculs Comparatifs des Volumes
2. Calcul du Volume de Glace (État Initial)Calculons la place occupée par les 150g d'eau lorsqu'ils sont gelés. Nous utilisons la masse volumique spécifique de la glace.
La glace occupe donc un volume de plus de 163 mL.
3. Calcul du Volume d'Eau Liquide (État Final)Calculons maintenant la place occupée par ces mêmes 150g une fois fondus, avec la masse volumique de l'eau liquide (qui est exactement de 1).
Une fois fondue, l'eau n'occupe plus que 150 mL.
4. Comparaison et VariationComparons les deux volumes pour quantifier la perte de volume lors de la fusion par une soustraction.
Interprétation : Lors de la fusion, l'eau a "perdu" environ 13,6 mL de volume. C'est pourquoi une bouteille d'eau pleine mise au congélateur éclate : en gelant, le volume augmente à nouveau !
Le volume n'est pas conservé. Il diminue lors de la fusion et augmente lors de la solidification.
Le volume de la glace est environ 9% supérieur à celui de l'eau liquide. Nos calculs (163 vs 150) confirment cet ordre de grandeur.
C'est la raison pour laquelle les icebergs flottent ! Pour une même masse, la glace a un plus grand volume, donc elle est moins dense que l'eau liquide. Elle reste en surface.
📄 6. Livrable Final (Note de Synthèse)
Résumé des analyses physico-chimiques effectuées sur l'échantillon d'eau pure.
Élève Ingénieur
Prof. P. Physique
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