Densité des états liquide et solide de l'eau
SCIENCES ET TECHNIQUES
+ DE 2 ANS
Le 16/08/2005 à 21h46
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Question d'origine :
Bonjour,
L'eau à la propriété interressante d'être plus lègère à l'état solide que liquide (d'où le bonheur du glacon qui flotte dans le ricard, et le malheur du titanic).
D'où cela vient-il ?
Est-ce que cette propriété reste toujours vrai dans différentes conditions (température / pression, concentration en corps poluants: sel, hydrocarbure...).
Si je me trompe pas, la plupart des matériaux ont leur état solide plus dense que leur état liquide. Est-ce que cette propriété de l'eau s'applique également à d'autre matériaux ?
Lesquels ?
Merci.
Damien.
Réponse du Guichet
bml_sci
- Département : Sciences et Techniques
Le 17/08/2005 à 11h50
" Quels sont les différents états (phases) de l'eau?
L'eau existe dans trois états: solide, liquide et gazeux. À température ambiante, c'est à dire environ 25° C, elle est liquide, mais en-dessous de 0° C elle gèle et on obtient alors de la glace. Au dessus de 100° C, l'eau est à l'état gazeux. C' est le point d'ébullition d'eau, c'est à dire la température à laquelle l'eau commence à s'évaporer. L'eau devient alors un gaz et est inodore et incolore.
La vitesse d'évaporation de l'eau dépend de la température; si la température est élevée; l'eau s'évaporera plus vite.
Que se passe-t-il lorsque l'eau change d'état?
Le passage d'un liquide à un solide ou à un gaz s'appelle le changement d’état. Quand une substance telle que l'eau change d'état, son aspect physique change, mais pas ses propriétés chimiques. Ceci car la structure chimique demeure la même, en revanche les molécules qui constituent la matière ne sont pas dispersées de la même façon. A l'état solide les molécules d'eau sont assez proches les unes des autres, mais à l'état liquide elles sont un peu plus distantes les unes des autres. L'eau devient liquide en raison de cette éloignement des molécules. Quand l'eau passe de l'état liquide à l'état gazeux, les molécules s'éloignent encore plus les unes des autres, c'est pourquoi nous ne pouvons pas les détecter.
Pourquoi la glace flotte-t-elle sur l'eau ?
source : chimie de l'eau
Température et pression :
« L'état de l'eau dépend des conditions de pression P et de température T. Il existe une situation unique (P,T) dans laquelle l'eau coexiste sous les trois formes solide, liquide, et gazeux ; cette situation est appelée « point triple de l'eau », elle a lieu lorsque
la température vaut 273,16 K (0,01 °C) et
la pression 611,2 Pa. »
source : physique de l'eau
« La densité varie avec la pression. La température aussi. On a en effet une variation adiabatique de la température avec la pression.
Considérons une masse d'eau à S=35, T=5°C à la surface. On la descend à 4000 m en supposant quelle n'échange pas de chaleur avec les masses d'eau avoisinantes (adiabatique). Cette masse d'eau subit le travail de la pression (compression adiabatique). Ce travail est transformé en chaleur cédée à la masse d'eau. A l'arrivée la température de cette masse d'eau est de 5,45°C. Inversement, la dilatation s'accompagne d'un refroidissement. Une masse d'eau à 5°C à 4000 m aura une température de 4,56°C à la surface.Ce phénomène est à prendre en compte lorsque des quantités d'eau subissent des variations de profondeur importantes. Pour cela on définit la température potentielle . »
Source : température et densité
« La température d'ébullition d'un liquide dépend de la pression exercée par l'atmosphère. Pour le comprendre , une loi de physique (la loi de Clapeyron) permet de tracer le diagramme pression-température de l'eau : celui-ci permet de déterminer les couples pressions et températures pour lesquels l'eau est solide, liquide ou gazeuse mais aussi pour lesquels l'eau est dans 2 états différents en même temps.
A l'aide de ce diagramme ( qui n'est pas fait à l'échelle pour une meilleure compréhension), on s'aperçoit notamment que l'eau à la pression atmosphérique normale (1 atm) bout bien à 100 °C et fond bien à 0°C. Lorsque la pression diminue jusqu'à 0,006 atm, on peut voir que la température d'ébullition diminue jusqu'à 0,01 °C. Il suffit donc de trouver un endroit où la pression est suffisamment basse pour que l'eau bout à 20°C. "
Source : Pression et température de changement d'état
Voir aussi le site de La main à la pâte
et celui du CNRS
Densité de l’eau et d’autres éléments :
« La référence de l'eau à 3,98 °C
Pourquoi choisir l'eau à 3,98 °C ? Il se trouve que lorsque la température de l'eau baisse, son volume diminue jusqu'à 3,98 °C et augmente si l'on continue de refroidir jusqu'à la congélation. Dans le domaine des mesures, le fait de prendre comme référence une propriété physique qui passe par un extrémum est très intéressant : au voisinage de 3,98 °C, la masse volumique de l'eau reste sensiblement constante, on n'a donc pas besoin de déterminer la température avec une grande précision, ce qui ne serait pas le cas aux autres températures. La masse volumique et la densité de l'eau sont maximales à 3,98 °C à la pression atmosphérique normale.
Cette particularité permet à l'eau tiède, à l'eau très froide et à la glace de flotter au-dessus de l'eau à 3,98 °C. Parmi les métaux moins denses à l'état solide qu'à l'état liquide, il existe l'argent et le bismuth. Cela pose des problèmes importants lors du moulage, à cause du gonflement qui accompagne la solidification. »
Source : Densité
Concernant l’eau salée :
« L’eau de mer, qui contient 35 g de sel par litre, gèle à la température de –1,8° C. Lors de la congélatin, le sel est expulsé et la glace qui se forme est pratiquement pure »
Source : Deux cent cinquante réponses aux questions d'un marin curieux
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