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L’Essaillon
« Entre la Tourre et lou Crapoun,
Ia moun païs, qu’ei Sederoun »
Alfred Bonnefoy-Debaïs

Etudier, préserver et faire connaître le Patrimoine Historique, Naturel et Culturel de Séderon et de sa Région

Lou Trepoun 29
Pour en savoir plus sur l’eau
Article mis en ligne le 3 octobre 2013
dernière modification le 13 décembre 2014

par BARRAS Henri

L’eau dans tous ses états

Nous connaissons l’eau sous trois états (ou phases) :

  • état solide
  • état liquide
  • état gazeux

Mais d’un point de vu constitution, ces différents états ne résultent que du comportement différent, dans des conditions différentes de température et de pression (conditions thermodynamiques), des molécules d’eau, chacune étant formée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène, dont la formule chimique bien connue est H2O.

Précisons immédiatement deux points

  • Il peut exister plusieurs phases solides (glace) avec des structures cristallines différentes.
  • La vapeur d’eau est un gaz invisible dont la présence dans l’air n’est détecté que par des moyens d’analyse optique (bandes d’absorbtion dans l’infrarouge lointain et domaine des ondes millimétrique). Quand nous voyons de la vapeur s’échapper d’un récipient il s’agit en fait de microgoutelettes et donc d’une forme de la phase liquide. De même le brouillard ou les nuages résultent d’une condensation de vapeur d’eau dans des conditions thermodynamiques locales particulières. La présence de vapeur d’eau dans l’air est aussi naturellement mise en évidence par la rosée et ....par la buée sur les vitres froides.

Humidité de l’air

Si l’eau sous forme liquide ou solide nous est familière, sa présence invisible dans l’air, sous forme de vapeur, se traduit physiologiquement par la sensation d’un air sec ou humide et se mesure par l’état hygrométrique qui est le rapport entre la masse m d’eau contenue dans un volume v d’air à une température t° et la masse M d’eau quand l’air est saturé.

En effet la quantité d’eau sous forme de vapeur que peut contenir un certain volume d’air, à une pression et à une température données, a une limite. Quand elle est atteinte on dit que l’air est saturé d’humidité. On dit en physique que l’on a atteint la pression maximale de vapeur saturante.

Le rapport m/M vaut 0 pour un air parfaitement sec et 1 (ou 100%) pour un air saturé.

A la pression atmosphérique normale, la masse de vapeur contenue dans 1m3 d’air saturé dépend de la température :

On en trouve
1,07 g à - 20°C
2,28 g à - 10°C
4,83 g à 0°C
9,36 g à 10°C
17,15 g à 20°C
30,08 g à 30°C
50,67 g à 40°C
82,23 g à 50°C
Rappel

Dans le cas de la saturation, la pression est appelée pression de vapeur saturante.

De l’air dans l’eau

L’importance de la présence de vapeur d’eau dans l’air ne doit pas faire oublier que les eaux libres ont des échanges permanents avec l’atmosphère. Le gaz carbonique (CO2) dont la production conduit à l’effet de serre est présent en grande quantité dans les mers et océans sous la forme de gaz dissous. De même l’oxygène est fortement présent.

Les changements d’états

Remarque préliminaire

Pratiquement, dans un lieu donné, c’est la température qui règle les changements de phases.

Unités de pression

L’unité légale de pression est le Pascal (symbole Pa) qui correspond à une force de un newton (N : unité de force) qui s’exerce sur une surface de un mètre carré (m2 : unité de surface). Le Pascal étant une unité trop petite on utilise couramment le bar qui vaut 105 (soit 100 000) Pascals ou le millibar (mb) qui vaut 100 Pascals c’est-à-dire un hectopascal (hPa). Donc c’est le même nombre qui exprime la pression en hectopascal ou en millibar.

Vapeur → Liquide

La condensation, c’est à dire le passage de la phase gazeuse à la phases liquide sous forme d’agrégation de molécules d’eau (microgoutelettes) se produit dans des conditions précises de température et de pression. Le mécanisme de la condensation est compliqué car les impuretés contenues dans l’air jouent un rôle important dans les mécanismes conduisant des molécules à se grouper pour former des « noyaux de condensation ».

Il arrive qu’en l’absence d’impuretés la condensation ne se déclanche pas à la température ou elle devrait se produire : on est en présence de sursaturation.

Liquide → Vapeur

L’évaporation est évidemment relative au passage de molécules d’eau dans l’air et ceci n’est possible que si les conditions thermodynamiques sont remplies, en particulier si l’énergie nécessaire à cette transformation est fournie.

Rappelons le résultat fondamental suivant : pendant toute la durée de l’évaporation (pendant que l’eau bout) sa température reste constante.

Si la pression est de 1013 hectopascal (1013 millibar ou 760 mm de mercure), la température d’ébulition de l’eau est prise pour fixer le 100°C des thermomètres.

Liquide → Solide

La solidification, provoquée par un abaissement de la température, donne de la glace, solide cristallin, dont la structure n’est pas unique. Mais l’essentiel de cette transformation réside dans le fait que, tant qu’il y a coexistence des deux phases la température reste constante.

Le retard à la solidification est la surfusion. Dans ce cas le passage liquide → solide peut se faire brutalement.

Solide → Liquide

La fusion est un phénomène courant pour ceux qui connaissent la neige et la glace.

Solide → Vapeur

La sublimation est le passage direct de la glace à la vapeur. Cette transformation qui est moins courante et peu visible se produit quand la pression est abaissée. La lyophilisation est un procédé utilisé qui utilise la sublimation.

Vapeur → Solide

Le givre ou gelée blanche est un exemple de transition vapeur → solide sans passer par l’état liquide ; il ne s’agit pas du gel de la rosée bien que l’étape initiale soit une condensation qui « gèle » et forme des microcristaux qui vont grossir en captant les molécules de vapeur d’eau (souvent libérée par évaporation des gouttelettes de brouillard).

Les changements de phase de l’eau s’accompagnent d’échanges de chaleur importants.

Ainsi il faut environ 2500 joules pour évaporer un gramme d’eau et réciproquement la condensation d’un gramme d’eau fournit 2500 joules.

La chaleur massique c (anciennement chaleur spécifique) est par définition l’énergie qu’il faut fournir à 1 kg d’eau à 15° C pour élever sa température de 1 degré : cette valeur est de 4186 Joules.

La calorie est la quantité de chaleur qu’il faut fournir à 1 gramme d’eau à 15° C pour élever sa température de 1 degré. Une calorie = 4,186 Joules.

La calorimétrie étudie les échanges de chaleur.

Rappel

Pour la mesure des densités l’eau sert de référence.

Il ne faut pas confondre la densité nombre sans dimension, et la masse volumique qui s’exprime en kg par mètre cube ou en grammes par centimètre cube.

La molécule d’eau

Constituée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène, la molécule d’eau est une petite molécule. Dans 1 cm3 d’eau (un gramme d’eau) il y a environ :

33 000 milliards de milliards de molécules.

Un milliard valant mille millions soit en notation scientifique 103.106 = 109 (10 puissance 9, soit 1 suivi de 9 zéros) il y a donc 33.103.109.109 = 33.1021 molécules d’eau dans un cm3.

La masse d’une molécule d’eau est donc de :

1/33.1021 = 0,03/1021 = 3/100. 1021 = 3/1023 g que l’on écrit 3.10-23 g

Rappelons
  • que le micron (symbole µ) vaut 0,0001 mm (1/1000 de mm)
  • que la longueur d’onde de la lumière jaune est de 0,55 µ.

Ces unités étant trop grandes on utilise couramment l’Angström (symbole Å) qui vaut le dix millième de µ, (soit 10-4 µ) et donc 10-7 mm ou 10-8 cm ou encore 10-10 mètres.

L’atome d’hydrogène est le plus simple des atomes puisqu’il n’est constitué que d’un proton central, de charge électrique positive, et d’un électron de charge négative qui « gravite » autour , l’atome étant électriquement neutre.

Dans la nature c’est la molécule d’hydrogène et non l’hydrogène atomique que l’on rencontre. Une molécule d’hydrogène (H2) mesure environ 0,24 millionième de millimètre (0,24.10-6 mm ou 0,24 /1000 de µ ou encore 2,4 Å).

L’atome d’oxygène est un peu plus compliqué car son noyau comprend 8 protons et 8 neutrons et les électrons qui « gravitent » autour sont au nombre de 8, deux sur une première couche et 6 sur une seconde couche.

On représente souvent les atomes comme des petits systèmes solaires, le noyau figurant le soleil et les électrons les planètes. Mais ces représentations sont fausses (la gravitation n’intervient pas) et surtout ne sont pas à l’échelle car si le rayon d’un atome est de l’ordre de 0,5 à 1 Å celui du noyau est de 10-5 à 10-4 Å soit 100.000 à 10.000 fois plus petit. Le monde des atomes est plein… de vide !

Adresses utiles
Référence Courrier Tél / Fax Minitel Internet
C.I. eau
(Centre d’information sur l’eau)
BP 5
75362 Paris Cedex 08
01.42.56.20.00
01.42.56.01.87
3615 CIEAU http://www.cieau.com
Office International de l’eau snide chez oieau.fr http://eaudoc.oieau.fr
Ouvrages sur l’eau info chez editions-johanet.net http://www.editions-johanet.net
Editions Législatives http://www.editions-legislatives.fr

Henri BARRAS
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