L' Eau au quotidien

Michel Laguës

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 2001
• Imprimer l'ISBN: 9782738108869
• ISBN de l'eBook: 9782738168887
• Sujet: Médecine
• Sujet: Santé générale

À tous ceux que la science interpelle, intrigue, effraie, passionne, à tous ceux qui ne veulent pas être des consommateurs aveugles, les Éditions Odile Jacob proposent une collection de livres scientifiques destinés aux enseignants, comme aux parents d'élèves qui voient revenir chez eux des enfants plein d'interrogations. Ils n'ont pas pour vocation de préparer quiconque à un examen ou à un concours, mais de satisfaire la curiosité de tous ceux qui veulent se cultiver. Cette collection invite nos concitoyens à mettre "le pied à l'étrier". Ce livre, écrit par un jeune scientifique fraîchement diplômé de l'Université, nous introduit dans les grands principes de conservation de la physique qui sont sous-jacents aux discussions sur l'environnement. Daniel Mangili, professeur de physique au lycée Saint-Louis dans les classes préparatoires aux Grandes Écoles, anime cette nouvelle collection.

1

Introduction

---

Force électrique et température ordonnent le monde et notre vie

Le monde offre une nourriture essentielle à notre cerveau lorsqu’il stimule nos sens. Les multiples sensations que nous éprouvons sont aussi la matière première dont nous extrayons les contours de l’infiniment petit et de l’infiniment grand, du très chaud et du très froid, les descriptions des composants élémentaires qui explosent dans la fournaise du big-bang*1 ou de ceux qui donnent leur saveur aux vins. Si la description scientifique du monde nécessite des outils nombreux, deux grandes lois suffisent pour décrire notre univers quotidien. En premier lieu, la complexité du monde de la vie et de ses perceptions est due à la force électrique. Celle-ci gouverne la variété des atomes*, leur stabilité, le foisonnement des structures fortement liées dans lesquelles ils sont engagés. L’autre loi est celle de la chaleur. Lorsque la température change, la diversité augmente dans la nature par la modification des structures atomiques faiblement liées. La température mesure l’agitation des atomes. Elle est à l’origine des changements d’état, des transitions entre état solide, liquide ou gazeux. Certains changements, la fusion de la glace ou l’ébullition, nous sont familiers depuis que nous sommes tout petits, mais la richesse des formes que peut prendre la matière est bien plus variée que ce que nous en observons au quotidien.

Ce livre voudrait être un compagnon de promenade autour de ces changements d’état. Ceux de l’eau y sont des sentiers privilégiés, mais nous y visitons également d’autres splendides chemins, états et changements d’état que nous montre la nature. Les cristaux liquides* équipent aujourd’hui montres, téléphones, calculatrices, et remplaceront demain nos écrans de télévision. Les supraconducteurs*, que nous rencontrons aujourd’hui dans les scanners IRM fondés sur la résonance magnétique*, remplaceront peut-être demain les lignes de transport de l’électricité et le silicium dans une nouvelle électronique. Tous, petits et grands, pouvons expérimenter et comprendre comment tout cela marche. Commençons par mettre la main à la pâte en expérimentant sur les mystères que nous réservent la glace, l’eau et la vapeur.

Les enfants observent quotidiennement des changements d’état de la matière, le plus souvent ceux de l’eau. L’eau est notre premier constituant et notre première nourriture. Elle permet des expériences simples et ses changements d’état sont facilement observables. Ce manuel contient des éléments scientifiques destinés à répondre aux questions des élèves, certainement pas à toutes. Même l’eau pure dans ses états les plus simples est loin d’être décrite de façon satisfaisante par notre savoir. Les enfants comprendront, et sans doute apprécieront, que les enseignants reconnaissent parfois « ne pas savoir », ou simplement « ne pas pouvoir expliquer ». Sachons rester modeste, c’est la première leçon.

Après une brève introduction aux méthodes d’observation et d’expérimentation, ce manuel est organisé en cinq parties principales, successivement la matière, les états d’un corps pur, les propriétés des liquides, les changements d’état, et enfin une brève description de la matière mélangée (hétérogène). L’idée de matière est, au même titre que celles de temps et d’espace, un grand outil pour décrire notre monde. La matière paraît en soi tellement évidente qu’il semble inutile de la définir. Les hommes se sont pourtant interrogés depuis des millénaires, et s’interrogent toujours, sur sa nature et sa structure profonde. Depuis l’Antiquité, ils en ont fait des descriptions variées, principalement qualitatives. Ces descriptions ne prévoient que des qualités, qui ne se traduisent pas par des nombres : le Soleil est chaud et loin, la glace dure et froide, la Lune faiblement lumineuse… Durant ces derniers siècles, le langage des descriptions scientifiques est devenu quantitatif, acquérant ainsi un formidable pouvoir de prédiction, voilà la grande avancée.

TRADUIRE NOS OBSERVATIONS EN NOMBRES

Les propriétés des objets sont aujourd’hui mesurées par des chiffres, que l’on peut vérifier, comparer, ajouter : le Soleil, qui se trouve à 150 millions de km, a une température externe de 6 000 °C, la glace à la pression atmosphérique (1 bar) en présence d’eau liquide est à 0 °C à l’équilibre… Dans le tableau ci-dessus, la taille des objets Terre ⇒ ballon ⇒ molécule* ⇒ noyau est chaque fois divisée par environ 20 millions. Pour les objets de la taille de la molécule ou plus petits, les effets dits quantiques sont très sensibles : il est nécessaire d’utiliser une théorie particulière, la physique quantique*, étrangère à notre intuition. Une théorie classique, beaucoup plus simple, suffit pour décrire correctement les états de la matière à notre échelle : l’étude des échanges d’énergie entre atomes à l’échelle microscopique permet de prévoir l’état de la matière. Par opposition aux configurations microscopiques, on qualifie de macroscopique l’état de la matière à notre échelle.

L’ORDRE ET LE DÉSORDRE DUS À LA TEMPÉRATURE

L’état macroscopique que nous observons est dû à l’organisation des atomes entre eux2 à l’échelle microscopique. Les atomes d’un corps ne sont pas dans des états différents lorsque la matière est dans l’état gazeux, liquide ou solide : il n’existe pas de molécules de glace ou de vapeur, il n’existe que des molécules d’eau identiques dans les états glace, liquide ou vapeur. Ce sont seulement les différences d’organisation microscopique entre molécules qui expliquent les différences entre les états que nous observons. Les changements sont principalement dus à la température, c’est-à-dire à l’agitation des molécules. Dans le cas d’un corps pur, ces changements sont très nets, tandis qu’ils s’étalent en général dans une gamme de températures plus étendue pour les mélanges.

Depuis une centaine d’années, ces changements d’état, les transitions de phase, ont été étudiés avec une grande précision, dans les fluides et les solides, pour les matériaux magnétiques, ferroélectriques*, pour les mélanges, etc. Cette très grande quantité de mesures a montré qu’il existait des règles étonnamment générales qui régissent les propriétés des matériaux très près de la transition. Les physiciens ont longtemps été incapables d’en rendre compte : ils se doutaient de l’origine de cette universalité tout en ne sachant pas comment effectuer les calculs correspondants. Ils rencontraient une difficulté inédite, les mécanismes responsables de la transition n’ayant pas de taille caractéristique : on n’observait pas de modification en changeant l’échelle d’observation comme le grossissement d’un microscope. Depuis une vingtaine d’années, des outils nouveaux ont permis de résoudre de façon éclatante cette question. L’invariance d’échelle* des mécanismes des changements d’état y est devenu un atout puissant, qui explique complètement l’universalité observée. Appliqués à d’autres domaines comme l’économie, les variations de la Bourse et les organismes vivants, ces outils éclairent d’un jour nouveau de vieilles questions. Nous présentons l’essentiel de ces démarches au chapitre 7, un peu plus technique que les autres. Ce chapitre peut être lu en diagonale sans dommage pour la présentation générale des changements d’état.

Mais avant de décrire les états de la matière et leurs changements, regardons un peu comment on les observe, comment on les mesure, quelles sont l’utilité et la signification des expériences. Bref, jetons un coup d’œil sur l’ordinaire du travailleur scientifique.

---

1. Les astéristiques renvoient au lexique.

2. 1. Il est quelques cas, tels que les ferrofluides* et les supraconducteurs amorphes, où les électrons peuvent présenter un ordre à grande échelle alors que les atomes ne sont pas régulièrement ordonnés. Inversement, lorsque les atomes sont ordonnés, la physique quantique prévoit cependant que les états électroniques sont profondément modifiés et présentent eux aussi un ordre à grande distance.

2

Les outils de l’e...

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Dédicace
• Préface
• 1 - Introduction - Force électrique et température ordonnent le monde et notre vie
• 2 - Les outils de l’expérimentateur : observation, mesure, expérience, modèle, théorie et autres clés à molette
• 3 - La matière, briques et architecture : l’émergence de l’atome
• 4 - Gaz, liquides, solides et autres
• 5 - Les liquides : mode d’emploi
• 6 - Comment l’eau change d’état
• 7 - Les changements d’état sous le microscope
• 8 - La matière imparfaite
• Lexique
• 10 - Index
• Table