Eau chaude et eau froide, quel mélange !
Illustration F. Dutto EPFL SPS 2020
Quelles sont les différences entre de l’eau chaude et de l’eau froide ? Il n’y a pas que la température qui change ! Viens tester avec nous !
Expérience
Matériel
Pour cette expérience, il te faut :
- Quatre verres identiques
- Quatre morceaux de papier cartonné ou deux cartes plastifiées assez grandes pour recouvrir entièrement l’ouverture d’un verre
- Deux colorants alimentaires bien différents (par exemple du bleu et du rouge)
- De l’eau
- Deux cuillères à café
- Une bouteille d’eau froide
- Une bouilloire, une casserole ou un micro-ondes pour chauffer l’eau
Déroulement
1. Avant de commencer l’expérience, il faut préparer de l’eau bien froide : remplis une bouteille d’eau et place-la au frigo pendant quelques heures.
2. Puis, chauffe de l’eau en faisant très attention à ne pas te brûler : tu peux utiliser une bouilloire, une casserole, un micro-ondes ou simplement de l’eau très chaude qui sort de ton robinet.
3. Dépose quelques gouttes de colorant bleu dans deux verres et quelques gouttes de colorant rouge dans les deux autres.
4. Remplis à ras bord les deux verres bleus avec de l’eau froide et les deux verres rouges avec de l’eau chaude. Il vaut mieux placer tes verres dans l’évier ou dans une bassine pour éviter l’inondation. Remue l’eau à l’aide de deux cuillères à café jusqu’à ce que les quatre verres aient une couleur bien uniforme.
5. Place deux morceaux de papier cartonné sur chaque verre d’eau froide.
6. En maintenant le papier contre le verre avec ta main, retourne franchement chaque verre d’eau froide. puis place-le très délicatement sur un verre d’eau chaude. Attention : les deux verres doivent être parfaitement alignés, autrement tu risques d’avoir des fuites d’eau.
7. Maintenant, retourne une des deux piles, mais ATTENTION A NE PAS TE BRULER !
Selon toi, que va-t-il se passer si l’on retire le papier entre les verres ?
Retire très doucement le papier, tout en gardant les verres l’un contre l’autre. Il faut éviter au maximum les fuites d’eau. Tu peux demander à un adulte de t’aider pour cette étape.
Alors qu’observes-tu? Se passe-t-il la même chose dans les deux configurations? Pourquoi?
Vérifie ton raisonnement avec les explications ci-dessous :
Voici le résultat : l’eau ne se mélange pas de la même façon dans les deux configurations. A gauche, quand l’eau chaude est au-dessus, le rouge et le bleu se mélangent très peu, tandis qu’à droite, quand l’eau froide est au-dessus, ils se mélangent très bien pour créer une eau d’une couleur mauve et de température uniforme.
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Pourquoi ?
Comme tes quatre verres sont identiques, ils ont le même volume. Cela ne veut pas dire qu’ils contiennent la même quantité de molécules d’eau ! En fait, lorsque la température augmente à l’intérieur d’un matériau, les molécules qui le composent s’agitent de plus en plus et ainsi elles occupent plus de place. Dans un volume d’eau chaude, il y a donc moins de molécules que dans un volume identique d’eau froide.
C’est la densité qui change et, plus précisément, la masse volumique.
La masse volumique ρ (rhô) est le rapport entre la masse des molécules (m) qui constituent un corps et le volume occupé par ces molécules (V) : ρ=m/V, tandis que la densité est le rapport entre cette masse volumique et la masse volumique d’un corps de référence ρ/ρréf . Pour les liquides, la référence est l’eau pure à 4 °C.
L’eau froide est ainsi plus « lourde » (a une masse volumique et donc une densité plus grande) que l’eau chaude. Par conséquent, quand elle se retrouve au-dessus de l’eau chaude, elle plonge au fond du verre du dessous et le tout se mélange. A l’inverse, quand l’eau chaude, plus « légère », se retrouve au-dessus, elle flotte sur l’eau froide. Elle ne se mélange pas immédiatement, ou très peu. Par contre, elle le fera quand les écarts de température entre les deux verres seront moins grands.
La densité ne dépend pas uniquement de la température. Tu peux refaire la même expérience en utilisant de l’eau plus ou moins salée ou plus ou moins sucrée. La présence du sel ou du sucre va augmenter la masse de l’eau, donc la masse volumique.
Pour aller plus loin
D’une manière générale, la densité d’un corps liquide augmente quand sa température diminue et devient maximale à la température de solidification. De plus, un corps à l’état solide est généralement plus dense qu’à l’état liquide.
L’eau est une exception ! Non seulement la glace est moins dense que l’eau (la glace flotte sur l’eau), mais la densité maximale de l’eau est atteinte non pas à 0 °C (sa température de solidification) mais à 3,98 °C. L’eau à 3,98°C se trouvera donc toujours au fond, même sous de l’eau à 3°C, 2°C ou 1 °C par exemple !
Filme ou photographie, toi aussi, ton expérience et partage nous ton résultat sur les réseaux sociaux :
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