2. Le cycle de l’eau, une boucle qui se répète indéfiniment
• Chauffée par le rayonnement solaire, l’eau des mers, des lacs, des rivières, etc., s’évapore peu à peu. Elle se disperse alors dans l’atmosphère sous la forme de vapeur d’eau. En rencontrant des zones d’air froid, la vapeur se liquéfie dans les nuages en de minuscules gouttelettes d’eau qui peuvent se solidifier sous la forme de cristaux de glace si l’air se refroidit suffisamment.
• Poussés par les vents, les nuages se déplacent dans l’atmosphère avant que l’eau qu’ils contiennent ne retombe à la surface de la Terre, sous la forme de précipitations de pluie, de neige ou de grêle. La neige et la grêle subissent alors une fusion, c’est-à-dire une transformation de l’état solide à l’état liquide.
• Quand elle ne tombe pas directement dans les mers et les océans, l’eau liquide due aux précipitations diverses ruisselle à la surface du sol. Elle s’accumule peu à peu pour former des rivières ou bien s’infiltre dans le sol et rejoint des nappes d’eau souterraines avant de réapparaître à la surface sous la forme de sources.
• Une partie de l’eau liquide tombée sur les terres émergées va rejoindre les mers et les océans sous la forme de torrents, de rivières puis de fleuves. Au cours de son parcours, de l’eau s’évapore… Le cycle recommence ainsi indéfiniment.
Pourquoi trouve-t-on de l’eau sous forme de neige, de pluie et de glace ? Réponses dans ce cours proposé par les enseignants Laure et Christophe.
Retrouvez le support du cours en pdf.
Pour répondre à cette question, nous aurons besoin d’un thermomètre, cet objet sert à mesurer la température ambiante, du corps ou d’un élément en particulier.
Les trois états de l’eau
L’eau est solide en dessous de 0°
L’eau est liquide en 0 et 100°
Lorsque l’on mélange des glaçons et de l’eau tempérée, la température de l’eau descend à 5°
L’eau à l’état solide est plus froide que l’eau à l’état liquide
L’eau boue et devient gazeuse au-delà de 100°
Les changements d’état de l’eau
L’état solide à l’état liquide, on appelle ça la fusion
De l’état liquide à l’état gazeux, on appelle ça la vaporisation.
De l’état gazeux à l’état liquide, on appelle ça la liquéfaction
Qu’a-t-on appris aujourd’hui ?
L’eau est présente partout sur la planète Terre. On la trouve sous les trois états :
- état liquide : mer, fleuve, rivière, pluie, brouillard, …
- état solide : glace, neige, verglas, …
- état gazeux : invisible tout autour de nous.
La quantité d’eau présente sur la Terre est toujours la même. L’eau passe d’un état à l’autre. On appelle cela le cycle naturel de l’eau.
Les hommes sont capables de reproduire ces différents états pour conserver les aliments, les cuire, pour se laver et pour bien d’autres raisons.
Quelles connaissances a-t-on utilisées ?
- Lire sur une droite graduée
- Réaliser une expérience
- Schématiser
Réalisateur : Didier Fraisse
Producteur : France tv studio
Année de copyright : 2020
Année de production : 2020
Année de diffusion : 2020
Publié le 31/07/20
Modifié le 20/12/22
La structure de l’eau dépend de son état physique.
L’état gazeux (vapeur) correspond exactement à la formule H2O et en particulier au modèle angulaire (figure 1).
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Figure 1 & Figure 2. Structure de l’eau à l’état vapeur & Structure tétraédrique de l’eau à l’état solide ou liquide
Mais les états condensés (eau et glace) sont plus compliqués, et c’est cette complication qui explique leurs propriétés atypiques (voir propriétés physiques).
À l’état solide (glace), l’arrangement élémentaire consiste en une molécule d’eau centrale et quatre périphériques, l’ensemble affectant la forme d’un tétraèdre (figure 2). Cette structure est due à l’association des molécules sous l’influence des liaisons intermoléculaires dites liaisons hydrogène : chaque atome d’hydrogène d’une molécule d’eau est attiré par l’atome d’oxygène (de polarité opposée) de la molécule voisine. Suivant le type de glace, les tétraèdres élémentaires s’organisent en diverses structures cristallines, la plus commune étant la forme hexagonale (glace I). Cette symétrie se retrouve dans les cristaux de neige sous forme d’une grande variété d’étoiles hexagonales (photo 2).
L’étude des variations cristallographiques, grâce au spectre Raman en particulier, permet de comprendre le passage à l’état liquide à partir de la constitution caverneuse de la glace : à mesure que la température augmente, les « creux » se remplissent progressivement de molécules d’eau interstitielles, jusqu’à effondrement complet de la structure cristalline après fusion ; dans l’eau liquide, le modèle structural de base tétraédrique est encore analogue à celui de la glace ; mais les petits agrégats de molécules liées sont mélangés avec des molécules libres, qui les remplacent progressivement au fur et à mesure que la température croît, jusqu’au point d’ébullition où toutes les molécules d’eau deviennent libres en phase vapeur comme évoqué plus haut.
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Photo 2. Glace (exemple)
Chapitre 2: Les états de l’eau
I Les différents états et les changements d’état
1) Les différents états
On distingue pour l’eau et les autres substances trois états différents:
L’état solide, l’état liquide et l’état gazeux:
- A l’état solide on trouve la glace présente dans les glaciers, la banquise et la grêle. On trouve également la neige constituée de minuscules cristaux de glace.
- A l’état liquide on trouve les cours d’eau, les mers, les océans, la pluie ainsi que les nuages et le brouillard constitués de minuscules gouttelettes d’eau
- A l’état gazeux on trouve la vapeur d’eau présente dans l’air mais invisible à l’œil nu.
2) Les changement d’état
L’eau peu changer d’état selon la température et sous l’action du soleil et du vent
Schéma résumant les différent changements d’état possibles:
Voici les définitions correspondantes:
- Fusion : passage de l’état solide à l’état liquide.
- Vaporisation : passage de l’état liquide à l’état gazeux.
- Liquéfaction : passage de l’état gazeux à l’état liquide.
- Solidification : passage de l’état liquide à l’état solide.
- Sublimation : passage de l’état solide à l’état gazeux.
- Condensation : passage de l’état
gazeux à l’état
condensé (solide ou liquide)
.
La cinétique de ce phénomène est décrite par la relation de Hertz-Knudsen.
Remarques :
- La vaporisation d’un liquide peut se faire soit de manière progressive et naturelle comme par exemple lors d’une exposition au soleil. On dit alors qu’il y a évaporation. Elle peut également s’obtenir par une élévation rapide de température qui provoque l’apparition de bulles de gaz: on parle alors d’ébullition.
- La sublimation et la condensation restent assez rares sur Terre mais elles peuvent se produire dans des condition extrêmes.
- Le terme condensation peut porter à confusion car il est parfois utilisé aussi pour désigner le passage de l’état gazeux à l’état liquide. On précise alors s’il s’agit de condensation liquide ou de condensation solide.
Introduction :
Il existe trois états physiques de la matière qui sont l’état solide, liquide et gazeux.Ces états ne sont pas forcément définitifs, la matière peut passer d’un état physique à un autre dans certaines conditions.
Dans un premier temps, nous définirons les différents changements d’état, puis nous étudierons dans quelles conditions ils ont lieu. Enfin, nous présenterons les paramètres physiques qui varient au cours d’un changement d’état.
Les changements d’état de l’eau
Définition
Changement d’état :
Un changement d’état est le passage d’un état physique à un autre.
Il s’agit d’une transformation physique qui dépend des conditions de température et de pression atmosphérique.
On peut observer les différents changements d’état dans le cycle de l’eau.
Le Soleil est le moteur de ce cycle car il fournit la chaleur nécessaire à la vaporisation (ou évaporation) de l’eau liquide.
Le dessin ci-dessous illustre ce cycle de l’eau avec quatre changements d’état.
Tous les changements d’état de l’eau observables sur la Terre sont résumés sur le schéma ci-dessous.
Les changements d’état qui nécessitent un apport de chaleur : la fusion et la vaporisation
Définition
Fusion :
La fusion est le passage de l’état solide à l’état liquide.
Le verglas qui fond en présence du soleil est de l’eau qui passe de l’état solide à l’état liquide.
Définition
Vaporisation :
La vaporisation est la transformation de l’état liquide à l’état gazeux par chauffage.
Lorsque l’eau bout, elle se transforme en gaz : c’est la vapeur d’eau.
Attention
Attention, si l’eau liquide se transforme naturellement en vapeur d’eau sous l’action du soleil et du vent, on parle d’évaporation.
Les changements d’état qui nécessitent un refroidissement : la solidification et la liquéfaction
Définition
Solidification :
La solidification est le passage de l’état liquide à l’état solide.
C’est le cas de l’eau liquide qui se solidifie lorsqu’elle se transforme en glaçon dans un congélateur.
Définition
Liquéfaction :
La liquéfaction est le passage de l’état gazeux à l’état liquide.
La vapeur d’eau d’une pièce qui se transforme en buée (gouttelettes d’eau) sur les vitres en hiver est un exemple de liquéfaction.
Température et changements d’état
Vaporisation de l’eau pure
Nous portons de l’eau pure à ébullition et nous mesurons régulièrement sa température au cours du temps. Nous travaillons à pression atmosphérique constante.
Les valeurs mesurées sont reportées sur le graphique ci-dessous.
Nous remarquons que lorsque l’eau liquide bout et se vaporise, la température se stabilise à 100°C.Sur la courbe, il y a un palier de température à 100°C.
À retenir
L’eau est donc un corps pur qui se vaporise à la température constante de 100°C (sous la pression atmosphérique normale mesurée au niveau de la mer).
La vapeur d’eau se liquéfie également à la température de 100°C.
La température de vaporisation de l’eau liquide est inférieure à 100°C si on est en altitude où la pression atmosphérique est inférieure à celle mesurée au niveau de la mer.
-
La température de vaporisation dépend donc de la pression atmosphérique. C’est aussi le cas pour les autres changements d’état.
Pour les mélanges (cas de l’eau salée), la température de vaporisation ne reste pas constante. La courbe d’ébullition ne présente donc pas de palier de température.
Solidification de l’eau pure
Nous procédons de la même façon que précédemment : nous mesurons l’évolution de la température de l’eau pure obtenue par distillation, placée dans un mélange réfrigérant. Nous travaillons sous pression atmosphérique normale.
- Dispositif expérimental
- Observations
La courbe présente deux parties où l’état physique de l’eau change.
La solidification de l’eau se produit à la température constante de 0°C.Sur la courbe, nous observons un palier de température à 0°C caractéristique du corps pur.Lorsque l’eau est entièrement solidifiée, la température baisse et devient négative.
À retenir
L’eau est un corps pur qui se solidifie à la température constante de 0°C (sous la pression atmosphérique normale mesurée au niveau de la mer).
La température de fusion de la glace est aussi égale à 0°C.
Pour un mélange (cas de l’eau sucrée), la température de solidification varie. La courbe ne présente pas de palier de température.
Comment évoluent la masse et le volume lors d’un changement d’état ?
Nous observons la fusion de la glace placée dans un bécher.
- Observations
En fin de fusion, nous constatons que la masse d’eau liquide est égale à la masse de glace introduite dans le bécher (200 g). Toutefois, l’espace occupé par l’eau liquide est inférieur à l’espace occupé par la glace. Le volume a donc diminué.
- Explications
La masse reste constante au cours de ce changement d’état car le nombre de molécules d’eau est identique dans l’état solide et dans l’état liquide.Cependant, les molécules sont disposées différemment à l’état solide et à l’état liquide où elles sont plus proches les unes des autres. Cela explique la diminution du volume lors de la fusion.
À retenir
Au cours de la fusion de la glace, la masse reste constante alors que le volume diminue.
Pour la solidification de l’eau, la masse ne varie pas mais le volume augmente.
Au cours de tout changement d’état, la masse se conserve alors que le volume varie.
Conclusion :
Au cours de son cycle naturel, l’eau subit donc plusieurs changements d’état.Nous avons étudié expérimentalement deux d’entre eux : la solidification et la vaporisation.Nous avons remarqué que l’eau pure se vaporise à la température constante de 100°C et se solidifie à la température constante de 0°C.
Un corps pur, contrairement à un mélange, est donc caractérisé par une température de changement d’état constante.
Lors d’un changement d’état, le volume de matière peut varier alors que la masse reste constante. En effet, lors de la solidification de l’eau, le volume augmente alors que la masse d’eau reste constante.
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