Quand la matière “se dilate”
Un moyen de rendre visibles les variations de sa température … pour construire un thermomètre
Comment le Soleil fait-il pour gonfler le ballon et tendre son enveloppe ?
Expérience 1
Matériel : une bouteille “vide” en verre, un ballon à gonfler, un récipient.
Enfilez l’ouverture du ballon sur le goulot de la bouteille.
Placez directement la bouteille sous l’eau chaude coulant d’un robinet,
ou bien remplissez à moitié le récipient d’eau bien chaude et plongez le fond de la bouteille dans l’eau.
Comparez les photos avec vos observations et devinez le sens de variation de la température de la bouteille.
Vos observations
Le ballon se gonfle et reste gonflé tant que la bouteille est chaude ou qu’elle est dans l’eau chaude.
Mettez la bouteille dans des directions variées et observez que le ballon reste gonflé dans toutes les positions.
Vos constats
D’où vient l’air qui gonfle le ballon ?
Comme tout est étanche, il ne peut venir que de la bouteille.
Qu’est-ce qui fait qu’il occupe plus de place ? que son volume s’est dilaté ?
La température de la bouteille et de l’air qu’elle contient a augmenté : on le sent au toucher.
Rédigez votre première Conclusion Locale Provisoire (CLP) :
Expérience 1 (suite)
Posez la bouteille sur la table. Le ballon se dégonfle lentement.
Plus rapidement si vous mettez la bouteille dans ou sous l’eau froide : dans tous ces cas l’air dans la bouteille se refroidit.
Essayez de compléter votre première Conclusion Locale Provisoire :
Vous pouvez même la généraliser :
Tous les gaz ont le même comportement : leur volume varie en même temps et dans le même sens que leur température.
Pour avoir une idée de la variation de volume quand la température augmente…
À la pression atmosphérique, pour une bouteille d’un litre d’air, de 25°C à 45°C, le volume augmente de 70 mL soit un petit verre de table.
En est-il de même pour un liquide ?
Expérience 2
Matériel : une bouteille en verre avec un bouchon à vis ou une bouteille de limonade. Une balance de cuisine.
Remplissez la bouteille d’eau chaude jusqu’au milieu du col de la bouteille.
Fermez aussitôt la bouteille avec le bouchon.
Marquez sur le goulot le niveau de l’eau chaude avec un feutre et laissez la bouteille à la température ambiante sur la balance.
.jpg)
Vos observations
Le niveau de l’eau dans la bouteille baisse progressivement de plusieurs cm, puis se stabilise (la durée de l’expérience et l’importance de la baisse du niveau dépendent de paramètres que vous identifierez facilement).
Vos constats
La quantité d’eau dans la bouteille fermée ne varie pas, on peut le constater avec l’indication de la balance qui n’a pas changé.
Pourtant le volume de l’eau a diminué. L’eau s’est contractée en refroidissant.
Comment rétablir la situation de départ ?
En réchauffant la bouteille et son même contenu, le niveau de l’eau peut revenir à la position notée :
on observe alors la dilatation de l’eau.
Votre deuxième Conclusion Locale Provisoire
Vous pouvez même la généraliser :
Comme les gaz, le volume des liquides augmente quand leur température augmente et inversement.
Il y a une seule exception à cette généralisation : dans le petit intervalle, de 0° à 4°, l’eau se dilate en se refroidissant. Cette particularité, qui passe souvent inaperçue, a des conséquences importantes (un Menu du jour abordera bientôt ce sujet).
Comment se comporte un solide ?
Comme les gaz et les liquides ?
La dilatation des solides est encore plus faible que celle des liquides pour la même variation de température, elle est donc difficile à observer.
Cependant qui n’a pas vécu la situation où deux saladiers, deux verres… sortis chauds du lave-vaisselle et rangés emboîtés dans le placard, refusent ensuite, obstinément, de se séparer !
Qui incriminer ?
C’est bien la dilatation de ces deux solides, suivie de leur rétractation ou contraction au cours de leur refroidissement qui maintient prisonnier l’un des deux.
Comment procéder pour libérer le “prisonnier” sans faire de la casse ?
Vous avez une idée ?
En conclusion de l’ensemble de nos expériences :
Nous pouvons généraliser le phénomène de la dilatation de la matière
Le volume de la matière dans un état donné (solide, ou liquide, ou gazeux, et en dehors de tout changement d’état), varie avec la température : son volume augmente (si la possibilité lui en est donnée) quand la température augmente, c’est la dilatation. Il diminue avec la température, c’est la contraction.
Cherchez à reconnaître les situations de la vie courante où ces phénomènes sont à l’œuvre :
les joints de dilatation à prévoir dans les constructions, l’éclatement des pneus par surchauffe, …
Construisez un thermomètre
Revenons à la question du sous-titre
Nos yeux ne voient pas les variations de températures.
Il faut donc utiliser un phénomène qui dépend de la variation de température pour la “voir”.
Certains thermomètres utilisent la dilatation d’un liquide.
Il vous faut :
un petit flacon de verre (c’est important car le verre ne se dilate que faiblement),
un bouchon étanche dans lequel vous faites passer une paille fine ou un tuyau d’aquarium très fin.
Remplissez le flacon avec de l’eau dans laquelle vous aurez mis un peu de colorant.
Puis rebouchez le flacon avec le bouchon traversé par le tuyau.
Notez par un trait sur le tuyau, le niveau de l’eau colorée à température ambiante. Regardez la variation de ce niveau quand vous plongez le flacon dans de l’eau chaude. Soyez patient, ce thermomètre est un “mauvais” thermomètre car il a beaucoup d’inertie, c’est-à-dire qu’il faut attendre longtemps pour voir une variation.
D’autres types de thermomètres utilisent d’autres phénomènes pour “voir” la température.