Deux étonnantes propriétés de l’eau au service de la vie
Un glaçon flotte sur l’eau, de l’eau à 4°C coule… dans l’eau !
Une propriété de l’eau bien connue… et pourtant remarquable
Des glaçons, placés dans votre verre d’eau, remontent invariablement à la surface, comme les gigantesques icebergs qui flottent sur la mer.
De la glace (eau-solide) qui flotte sur de l’eau-liquide : c’est l’observation du comportement d’un liquide et de son solide que nous faisons le plus souvent.
Qu’en est-il pour le solide d’une autre matière, par exemple la bougie (ou paraffine), quand il est en présence de l’état liquide de cette même matière ?
Expérience avec la matière-bougie
Faites fondre, au bain-marie, de la bougie dans un pot de yaourt en verre puis jetez dans le liquide un petit morceau de bougie solide.
Vos observations
La bougie solide coule dans la bougie liquide.
Une autre expérience
Après avoir fait fondre la bougie au bain-marie, sortez le pot à yaourt et laissez refroidir lentement son contenu.
Vos observations
Après refroidissement, la bougie devenue solide présente une surface en creux, donc la masse de bougie solide occupe un volume plus petit que la même masse de bougie-liquide.
Vos constats
Vous trouverez des éléments pour justifier ce constat à propos de la matière-bougie en cliquant ici.
Vous y aurez découvert que la flottabilité est une histoire de comparaison entre les masses et les volumes de la matière solide et de la matière liquide. Le plus souvent ces deux matières sont différentes, mais ici le solide et le liqude sont faits de la même matière.
Voyons à présent ce qu’il en est avec l’eau
Vos observations
Les glaçons ont toujours leur surface du dessus bombée, la bouteille d’eau éclate dans le congélateur…
Force est de constater que le solide “eau” est plus volumineux que le liquide “eau” de même masse.
Le cours en cuisine “La glace, ça déborde, ça dégouline” vous accompagne dans cette découverte.
Le comportement du couple bougie solide / bougie liquide est ultra majoritaire parmi les substances que nous côtoyons dans la vie quotidienne. Alors que le couple eau-liquide et eau-glace qui nous est très familier est (quasiment) le seul à se comporter différemment.
Une curiosité : la diminution de volume au cours de la solidification d’un métal en fusion (très haute température et refroidissement quasi instantané) peut conduire à un résultat troublant pour des étudiants … et peut-être aussi pour vous ? Voyez le document “L’étrange solidification d’un métal“. Vous avez maintenant toutes les bases pour comprendre cette curiosité.
Une autre propriété de l’eau liquide, … bien cachée
Une expérience
Observez la vidéo ci-dessous. Elle montre ce qui se passe lors de la fusion d’un glaçon coloré en bleu, dans un verre d’eau claire (on obtient ce glaçon bleu en gelant de l’eau bleuie par de l’encre). N’hésitez pas, réalisez vous-même cette expérience, vous serez émerveillé par le spectacle !
L’eau bleuie, issue de la fusion du glaçon, est entraînée vers le fond du récipient.
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Si vous cherchez une explication, la Formule Express « Quand la matière “se dilate” » vous fournit la réponse. |
L’eau sortant du glaçon, à 0°C, occupe un volume plus petit que la même quantité d’eau claire à 20°C : l’eau plus froide coule, peu à peu se mélange et se réchauffe !
Une autre expérience
Remplissez à moitié un verre d’eau liquide à la température de la pièce.
Immergez lentement un thermomètre ou une sonde thermométrique dans l’eau et notez la température de l’eau à différentes profondeurs depuis la surface jusqu’au fond.
Introduisez maintenant deux ou trois glaçons dans l’eau du verre, déterminez à nouveau la température comme précédemment.
Qu’observez-vous ?
Le premier relevé ne montre pas d’écart de température aux différents paliers.
Le deuxième relevé confirme qu’au voisinage de la surface de l’eau la température du mélange eau-glace est très voisine de 0°C. Mais en descendant le thermomètre, la température a tendance à remonter, au fond du verre elle est invariablement de 4°C.
Agitez énergiquement l’eau avec l’aide d’un bâtonnet ou d’une cuillère, la température au fond ne change pas notablement, toujours 4°C.
L’eau à 4°C s’accumule au fond du récipient et résiste à l’agitation qu’on lui fait subir. Non, le thermomètre n’est pas en cause.
Si vous voulez un élément de réponse, consultez à nouveau la formule express « Quand la matière “se dilate” ».
En passant de 0°C à 4°C le volume de l’eau liquide diminue pour augmenter au-dessus de 4°C !
Vos constats
Réfléchissons aux conséquences de ces deux propriétés de l’eau dans la Nature
En hiver ou pendant un épisode de glaciation, l’eau des lacs, des étangs… gèle.
Dans un premier temps c’est au niveau de la surface que la perte de chaleur a lieu. La glace forme une pellicule solide à la surface de l’eau liquide (la glace… ne coule pas), gênant l’action du froid extérieur (la glace conduit mal la chaleur). La température de l’eau diminue et l’eau à 4°C s’enfonce dans la profondeur du lac comme celle du verre. Elle ne variera pas de tout l’hiver offrant à la faune et à la flore un milieu de vie “climatisé” à l’abri du gel destructeur.
Mieux encore, il en sera de même en été. La température de l’eau au fond d’un lac reste invariablement fixée à 4° C.
La vie dans les eaux de nos jours et la vie primitive ont largement bénéficié de la combinaison de ces deux propriétés extraordinaires (au sens propre) de l’eau.