Chapitre 2 sur 17 · L'eau et le temps qu'il fait
Chapitre 1. L'eau change d'état
Les trois états de l'eau, les changements qui font passer de l'un à l'autre, et la différence entre une flaque qui sèche et une casserole qui bout.
Une flaque qui disparaît sans que personne la vide
Une flaque de pluie posée sur un trottoir disparaît en quelques heures. Personne ne l'a essuyée, personne ne l'a bue, et le trottoir n'est pas percé. Pourtant elle n'est plus là. La question que ce chapitre traite est celle-là, et elle est plus profonde qu'elle n'en a l'air : où est passée cette eau, et sous quelle forme est-elle partie ?
La réponse tient en une phrase, et tout le reste de ce volume en découle. L'eau n'a pas disparu : elle a changé d'état. Elle est passée d'une forme que l'œil voit, le liquide, à une forme que l'œil ne voit pas, le gaz. La quantité de matière n'a pas bougé d'un gramme ; c'est son arrangement qui a changé. Un cycle de l'eau n'est rien d'autre que la suite de ces changements, répétée à l'échelle de la planète.
Ce chapitre commence par cette physique, avant les nuages et avant la pluie, parce qu'aucun des chapitres suivants ne se comprend sans elle. Un nuage est un changement d'état. Une averse est un changement d'état. La buée sur une vitre, le givre sur une voiture, la neige, la rosée du matin : ce sont six scènes différentes et un seul mécanisme.
Les objectifs de ce chapitre
À la fin de ce chapitre, vous devez pouvoir faire chacune de ces choses. Elles s'observent : ou bien vous les faites, ou bien vous savez quelle section relire.
- Nommer les trois états sous lesquels l'eau se rencontre, et donner un exemple de chacun pris hors du livre.
- Nommer les changements d'état, et dire de quel état vers quel état chacun conduit.
- Distinguer une évaporation d'une ébullition en citant trois différences observables.
- Retrouver le changement d'état à l'œuvre dans une scène quotidienne décrite en une phrase.
- Mesurer la disparition d'une eau posée à l'air libre, et noter le résultat dans un tableau daté.
Prérequis : aucun. Ce chapitre est le premier du volume et il ne suppose rien de son sujet. Il suffit de savoir lire un texte suivi et de savoir reporter un nombre dans un tableau.
Trois états, une seule substance
Prenez un glaçon, un verre d'eau et la buée invisible qui flotte au-dessus d'une casserole chaude. Ce sont trois choses très différentes à regarder et à toucher, et pourtant c'est exactement la même substance. Ce qui les sépare n'est pas leur nature : c'est la façon dont leurs plus petits constituants sont rangés et la liberté qu'ils ont de bouger.
Dans l'état solide, la glace, les constituants sont serrés et rangés : ils vibrent sur place sans se quitter. Un solide garde donc sa forme et son volume. Un glaçon posé dans une assiette reste un glaçon en forme de glaçon.
Dans l'état liquide, l'eau, les constituants sont toujours serrés mais ils glissent les uns sur les autres. Un liquide garde son volume et perd sa forme : versez un litre d'eau dans un seau, dans une bouteille ou dans une bassine, vous avez toujours un litre, et il prend chaque fois la forme du récipient. Sa surface, elle, reste horizontale.
Dans l'état gazeux, la vapeur d'eau, les constituants sont très écartés et se déplacent librement dans tout l'espace disponible. Un gaz ne garde ni sa forme ni son volume : il occupe tout ce qu'on lui donne. C'est pour cela que la vapeur d'eau d'une pièce se répartit dans toute la pièce, et pas seulement au-dessus de la casserole.
Retenez surtout ceci, qui va servir dans tout le volume : la vapeur d'eau est parfaitement transparente. Elle ne se voit pas, elle ne se photographie pas, et il n'existe aucun nuage blanc de vapeur d'eau. Tout ce qui est blanc et visible dans l'air est déjà redevenu liquide ou solide.
Les mots à retenir
Ces trois mots reviendront dans chaque chapitre. Les employer juste évite la moitié des confusions du sujet.
- L'état solide
- L'état dans lequel l'eau garde sa forme et son volume. C'est la glace, la neige, la grêle, le givre. Une eau à l'état solide se prend en main.
- L'état liquide
- L'état dans lequel l'eau garde son volume mais prend la forme de ce qui la contient. C'est l'eau de la pluie, du robinet, des rivières, et ce sont aussi les gouttelettes en suspension qui forment un nuage.
- L'état gazeux, ou vapeur d'eau
- L'état dans lequel l'eau occupe tout l'espace disponible. Il est invisible et inodore. La vapeur d'eau représente entre 0,1 % et environ 5 % de l'air ambiant selon Météo-France, et pourtant personne ne l'a jamais vue.
Les changements d'état, et leurs noms
Passer d'un état à l'autre porte un nom, et il y a six passages possibles puisqu'il y a trois états. Ces noms ne sont pas du vocabulaire de luxe : ce sont eux qui permettent de dire ce qui se passe sans faire une phrase de dix lignes. Météo-France les nomme tous les six dans une même phrase, et il les répartit en deux moitiés : « pour que la sublimation, la fusion et l'évaporation se produisent, il faut fournir de l'énergie au système. À l'inverse, la condensation solide, la congélation et la condensation libèrent de l'énergie. » Retenez ce partage, il servira souvent : les trois passages qui vont vers plus de liberté demandent de l'énergie, les trois qui vont vers plus d'ordre en rendent.
De solide vers liquide, c'est la fusion. Un glaçon qui fond dans un verre fait une fusion. De liquide vers solide, c'est la solidification, que Météo-France nomme congélation. Une eau qui prend en glace dans un congélateur en fait une.
De liquide vers gazeux, c'est la vaporisation. Elle prend deux formes très différentes, que la section suivante sépare : l'évaporation et l'ébullition. De gazeux vers liquide, c'est la condensation, que l'on appelle aussi liquéfaction. Météo-France la définit exactement ainsi à propos des nuages : il y a condensation quand l'eau passe « de l'état gazeux à l'état liquide ». La buée sur une vitre froide est une condensation.
Restent les deux passages qui sautent l'état liquide. De solide vers gazeux directement, c'est la sublimation : de la neige qui diminue sans jamais mouiller le sol, par grand froid et grand soleil, se sublime. De gazeux vers solide directement, c'est la condensation solide : le givre qui pousse sur un pare-brise par nuit claire ne vient pas d'une eau qui aurait gelé après s'être posée, il se forme directement à partir de la vapeur de l'air.
Le vocabulaire varie un peu d'un ouvrage à l'autre : certains écrivent liquéfaction là où d'autres écrivent condensation, solidification là où d'autres écrivent congélation, et déposition là où d'autres écrivent condensation solide. Ces jeux de mots désignent exactement les mêmes passages. Ce volume emploie condensation, solidification et condensation solide, et il signale à leur première apparition les mots que les services météorologiques préfèrent.
| Le changement | De quel état | Vers quel état | Où on le voit |
|---|---|---|---|
| Fusion | Solide | Liquide | Un glaçon qui fond dans un verre ; la neige qui devient boue sur une route. |
| Solidification | Liquide | Solide | Un bac à glaçons oublié au congélateur ; une flaque prise en glace au petit matin. |
| Vaporisation | Liquide | Gazeux | Une flaque qui sèche ; du linge qui sèche sur un fil ; une casserole qui bout. |
| Condensation | Gazeux | Liquide | La buée sur une vitre froide ; la rosée du matin sur l'herbe ; un nuage qui se forme. |
| Sublimation | Solide | Gazeux | De la neige qui diminue par grand froid sans mouiller le sol. |
| Condensation solide | Gazeux | Solide | Le givre sur un pare-brise après une nuit claire et froide. |
Évaporation et ébullition : deux vaporisations, et elles ne se ressemblent pas
Voici la distinction la plus utile de tout le volume, et celle que l'on manque le plus souvent. L'eau passe à l'état gazeux de deux façons, et une seule des deux demande de la chaleur forte.
L'évaporation se produit à la surface libre du liquide, et elle se produit à toute température. Une flaque s'évapore à quinze degrés comme à trente, une serviette mouillée sèche dans une salle de bain fraîche, du linge sèche dehors en hiver. Elle est lente, silencieuse, et elle ne fait aucune bulle. Ce qui l'accélère, c'est une surface plus grande, un air plus chaud, un air plus sec, et du vent qui emporte la vapeur au fur et à mesure. C'est exactement le mécanisme que Météo-France décrit à l'échelle de la planète : « la chaleur du Soleil permet l'évaporation d'une partie de l'eau contenue dans les océans, les rivières et les lacs ».
L'ébullition se produit dans toute la masse du liquide, et elle se produit à une température fixe. Sous la pression habituelle au niveau de la mer, l'eau pure bout à cent degrés Celsius, et sa température cesse alors de monter tant qu'il reste de l'eau à faire bouillir. Elle est rapide, bruyante, et elle fait des bulles : ces bulles sont de la vapeur d'eau qui se forme au fond de la casserole et remonte à travers le liquide.
Retenez la conséquence, parce qu'elle est contre-intuitive et qu'elle traverse tout le cycle de l'eau : l'immense majorité de l'eau qui monte dans l'atmosphère n'a jamais bouilli. Les océans ne bouillent pas. Les flaques ne bouillent pas. Le linge ne bout pas. Tout cela s'évapore, à température ordinaire, en permanence, et c'est ce flux lent et continu qui alimente les nuages du monde entier.
Le piège de ce chapitre : le panache blanc au-dessus d'une casserole ou d'une bouilloire n'est PAS de la vapeur d'eau. La vapeur d'eau est invisible, et elle occupe la zone parfaitement transparente qui se trouve juste au-dessus du bec, avant le panache. Le panache blanc, lui, est de la vapeur qui a déjà rencontré l'air plus froid de la pièce et qui s'est recondensée en gouttelettes liquides minuscules. Autrement dit : ce que vous voyez est déjà redevenu liquide. La même erreur se répète avec les nuages, avec la buée d'une respiration l'hiver, et avec le brouillard.
Exemple travaillé 1. Nommer le changement d'état d'une scène
Énoncé : « Une flaque de pluie large comme une table a disparu du trottoir en une journée. Il a fait quatorze degrés et il n'y a eu ni soleil direct, ni personne pour l'essuyer. » Quel changement d'état a eu lieu, et comment le prouver ? Cet exemple est entièrement guidé : chaque étape est faite et expliquée.
- Repérer l'état de départ
La scène commence par une flaque. Une flaque prend la forme du trottoir et garde son volume : c'est de l'eau à l'état liquide. État de départ : liquide. - Repérer l'état d'arrivée
À la fin, l'eau n'est plus visible et le trottoir est sec. Elle n'a pas été absorbée, l'énoncé dit que le trottoir n'est pas percé, et personne ne l'a enlevée. Le seul état sous lequel de l'eau peut être présente sans être vue est l'état gazeux. État d'arrivée : gazeux. - Nommer le passage
Le passage de l'état liquide vers l'état gazeux s'appelle la vaporisation. Le nom du changement d'état est donc : vaporisation. - Préciser laquelle des deux vaporisations
L'énoncé donne quatorze degrés. L'ébullition de l'eau demande cent degrés sous la pression habituelle : elle est donc impossible ici. Il reste l'évaporation, qui se produit à toute température, lentement, à la surface libre. Réponse précise : une évaporation. - Vérifier que le raisonnement tient
Une bonne vérification consiste à chercher ce qui contredirait la réponse. Si l'eau s'était évaporée, elle aurait dû partir lentement et par la surface : une journée entière pour une flaque, c'est cohérent. Si elle avait bouilli, on aurait vu des bulles et il aurait fallu une source de chaleur. Rien dans l'énoncé ne va contre l'évaporation. Le raisonnement tient. - Le résultat
La flaque a subi une vaporisation, et plus précisément une évaporation : l'eau liquide est passée à l'état gazeux à température ordinaire, par sa surface libre, et elle se trouve maintenant dispersée dans l'air de la rue sous forme de vapeur d'eau invisible.
Expérience 1. Mesurer une évaporation
Ce qu'il faut : deux assiettes creuses identiques, de l'eau du robinet, une règle graduée, un cahier. Aucune source de chaleur. SÉCURITÉ : cette expérience se fait avec l'accord d'un adulte, et l'adulte est présent. Il choisit les deux emplacements, hors de portée d'un jeune enfant et loin d'un rebord d'où une assiette pourrait tomber.
- Préparer deux assiettes identiques
Versez la même hauteur d'eau du robinet dans les deux assiettes. Un doigt de hauteur suffit. Vérifiez avec la règle posée verticalement dans l'eau que les deux hauteurs sont bien les mêmes, et notez cette hauteur de départ dans le cahier, avec la date et l'heure. - Poser les assiettes dans deux endroits différents
Avec l'adulte, choisissez deux endroits de la maison qui diffèrent par une seule chose si possible : par exemple une pièce chauffée et une pièce fraîche, ou un endroit exposé à un courant d'air et un endroit abrité. Ne mettez ni l'une ni l'autre au soleil direct pour ce premier essai. - Relever tous les jours à la même heure
Chaque jour, à la même heure, mesurez la hauteur d'eau restante dans chaque assiette et notez-la. Faites cela pendant au moins quatre jours. Notez aussi, en une ligne, ce que vous observez : l'eau est-elle trouble, y a-t-il de la poussière au fond ? - Ne rien ajouter, ne rien toucher
C'est la règle qui rend la mesure honnête. Ne remettez pas d'eau, ne déplacez pas les assiettes, ne les couvrez pas. Une mesure dont les conditions changent en cours de route ne dit plus rien. - Lire le résultat
Au bout de quatre jours, comparez les deux colonnes du cahier. L'assiette placée dans la condition la plus favorable aura perdu davantage. Vous venez de mesurer une évaporation, et de montrer que le facteur que vous avez fait varier, et lui seul, l'accélère, sans jamais avoir dépassé la température de la pièce. Si vous avez fait varier deux choses à la fois, notez-le : vous saurez qu'une évaporation a bien eu lieu, mais pas ce qui l'a accélérée. - Laisser une assiette aller jusqu'au bout
Reprenez l'une des deux assiettes et laissez-la sans y toucher jusqu'à ce qu'il n'y ait plus une goutte d'eau. Regardez alors le fond, à la lumière, de biais. Il reste un léger dépôt blanchâtre, ou des traces sèches. Notez ce que vous voyez : ce dépôt servira au chapitre 7, et il répond par avance à une question que beaucoup se posent. - Ce que l'expérience prouve, et ce qu'elle ne prouve pas
Elle prouve que de l'eau liquide part à l'air libre sans bouillir, que la vitesse dépend des conditions, et que ce qui était dissous dans l'eau, lui, n'est pas parti. Elle ne prouve pas où l'eau est allée : pour cela, il faut la récupérer, et c'est l'objet de l'expérience suivante.
Expérience 2. Récupérer l'eau partie dans l'air
Ce qu'il faut : un verre, des glaçons, une assiette sèche, un torchon. SÉCURITÉ : cette expérience se fait avec l'accord d'un adulte, et l'adulte est présent. Le verre est en verre et il devient glissant une fois mouillé : posez-le au centre d'une table, jamais au bord.
- Sécher le verre à l'extérieur
Essuyez soigneusement l'extérieur du verre avec le torchon, et faites-le constater par l'adulte. Ce geste n'est pas de la coquetterie : il élimine à l'avance l'objection selon laquelle l'eau qui apparaîtra était déjà là. - Remplir de glaçons, sans eau
Mettez uniquement des glaçons dans le verre, sans ajouter d'eau liquide. S'il n'y a pas d'eau liquide dans le verre, il ne peut rien en sortir par un trou ou par le bord. - Poser le verre et attendre
Posez le verre au centre de l'assiette sèche, au milieu de la table, et attendez quelques minutes sans y toucher. - Observer la paroi
L'extérieur du verre se couvre de fines gouttelettes, puis les gouttelettes se rejoignent et coulent jusque dans l'assiette. Au bout d'un quart d'heure, il y a de l'eau liquide dans l'assiette. - Trouver d'où vient cette eau
Elle ne vient pas du verre, qui était sec et ne contient que de la glace. Elle ne vient pas de l'assiette, qui était sèche. Elle vient donc de l'air de la pièce, qui contenait de la vapeur d'eau invisible. Au contact de la paroi froide, cette vapeur est repassée à l'état liquide. - Nommer le changement d'état
Le passage de l'état gazeux à l'état liquide est une condensation. Vous venez de récupérer, sous forme liquide et visible, une eau qui était dans la pièce sous forme gazeuse et invisible. C'est le mécanisme exact par lequel un nuage se forme, et le chapitre 3 y reviendra.
Nommer un changement d'état, en trois gestes
- Étape 1
Dites dans quel état l'eau se trouve au début de la scène : garde-t-elle sa forme, seulement son volume, ou ni l'un ni l'autre ?
- Étape 2
Dites dans quel état elle se trouve à la fin. Si elle est devenue invisible sans partir ailleurs, elle est à l'état gazeux.
- Étape 3
Lisez le nom du passage dans le tableau des six changements d'état, puis vérifiez qu'aucun détail de la scène ne le contredit, en particulier la température.
Exemple travaillé 2. Le pare-brise du matin
Énoncé : « Après une nuit claire et froide, un pare-brise est couvert d'une fine couche blanche qui gratte sous l'ongle. Il n'a pas plu de la nuit. » Quel changement d'état ? Cet exemple est guidé jusqu'à l'avant-dernière étape : la dernière est laissée au lecteur.
- Repérer l'état d'arrivée
La couche est blanche et elle gratte sous l'ongle : elle garde sa forme, elle ne coule pas. C'est de l'eau à l'état solide. État d'arrivée : solide. - Éliminer l'état de départ le plus évident
On serait tenté de dire que de l'eau liquide s'est déposée puis a gelé, ce qui ferait une condensation suivie d'une solidification. Mais l'énoncé précise qu'il n'a pas plu, et un pare-brise sec ne fabrique pas d'eau liquide tout seul. - Chercher d'où l'eau peut venir
Il reste une seule source possible : l'air, qui contient toujours de la vapeur d'eau invisible. La nuit claire a laissé le pare-brise se refroidir fortement, jusqu'à une température inférieure à zéro degré. - Reconnaître le passage direct
Quand la surface est déjà en dessous de zéro, la vapeur d'eau ne passe pas par l'état liquide : elle se dépose directement à l'état solide, en petits cristaux. C'est ce passage direct qui explique l'aspect en aiguilles du givre, très différent d'une plaque de glace lisse. - À vous : nommez le changement d'état
Vous avez l'état de départ, l'état d'arrivée et la raison pour laquelle l'étape liquide est sautée. Le nom du passage figure dans le tableau des six changements d'état de ce chapitre. Écrivez-le, puis vérifiez au corrigé de l'auto-évaluation, question 4.
Ce qu'il faut retenir de ce chapitre
- L'eau se rencontre sous trois états : solide, liquide, gazeux. C'est la même substance dans les trois cas ; seul l'arrangement change.
- La vapeur d'eau est invisible. Tout ce qui est blanc et visible dans l'air est déjà redevenu liquide ou solide.
- Six passages relient ces trois états : fusion, solidification, vaporisation, condensation, sublimation, condensation solide.
- La vaporisation prend deux formes : l'évaporation, lente, à toute température, à la surface libre ; l'ébullition, rapide, à cent degrés sous la pression habituelle, dans toute la masse.
- L'eau qui alimente les nuages du monde entier s'évapore, elle ne bout jamais.
- Un changement d'état ne fait ni apparaître ni disparaître de matière : la quantité d'eau reste la même d'un bout à l'autre.
Auto-évaluation du chapitre 1
Répondez par écrit, avec les seules connaissances données par ce chapitre. Ne regardez le corrigé, regroupé en fin de volume, qu'après avoir écrit vos cinq réponses.
- Une serviette mouillée étendue dans une salle de bain à dix-huit degrés est sèche le lendemain matin. Nommez le changement d'état, et dites pourquoi il ne s'agit pas d'une ébullition.
- Un ami affirme qu'il a photographié un nuage de vapeur d'eau au-dessus de sa bouilloire. Que lui répondez-vous, et pourquoi ?
- Citez trois différences observables entre une évaporation et une ébullition.
- Après une nuit claire et froide, un pare-brise sec se couvre d'une fine couche blanche qui gratte sous l'ongle, sans qu'il ait plu. Nommez le changement d'état et justifiez en une phrase.
- On pose une assiette d'eau au soleil et une assiette identique à l'ombre, dans la même pièce. Laquelle se videra la première, et quelle est la seule chose que cette expérience permet de conclure ?