L'eau

Simuler le cycle de l'eau

Objectifs

L'expérience suivante a pour objectif d'introduire la notion de cycle de l'eau, l'un des éléments essentiels à la compréhension des phénomènes atmosphériques, et des précipitations en particulier.

Matériel nécessaire

  • petit cristallisoir,
  • film plastique translucide (film alimentaire, sac plastique…),
  • bille,
  • autant d'élastiques qu'il faut pour tenir l'ensemble en équilibre
  • verre à liqueur
  • eau salée
  • soleil (ou lampe puissante d'au moins 100 W)
   
 
Expérience n° 1 : cycle de l'eau.

Verser 2 à 3 cm de hauteur d'eau salée dans le cristallisoir, placer au centre le verre, puis recouvrir avec le plastique en le fixant hermétiquement avec le(s) élastique(s). Placer une bille en verre sur le film.
On peut exposer le tout, soit, idéalement, au soleil, soit à la lampe.
On constate l'apparition progressive de gouttelettes d'eau sous le film de plastique. Ces gouttelettes d'eau liquéfiées sont recueillies dans le verre.

  Météo-France

 Détail du montage.

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Activité annexe :
Repérer la différence de qualité des eaux du cristallisoir et du verre (saveur, apparence), identifier les différents états et changements d'état ainsi que les échanges d'énergie mis en jeu.
Noter que la production d'eau distillée peut être réalisée par un montage analogue.
 Le cycle de l'eau en détail
Les expériences suivantes ont pour objectif de mettre en évidence les phénomènes physiques fondamentaux affectant l'eau présente dans l'air atmosphérique et soumise au rayonnement solaire. Elles introduisent la notion de chaleur latente importante en météorologie puisque l'on lui attribue environ 50 % de l'énergie transférée de la zone équatoriale vers les pôles.
Expérience n° 2 : évaporation (vaporisation), liquéfaction.

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Une même quantité d'eau est introduite dans deux récipients identiques, dont l'un est ouvert à l'air libre et l'autre fermé par un couvercle transparent.
Après exposition au soleil quelques heures, comparer les volumes de liquide restants et l'aspect du couvercle (présence de gouttelettes d'eau liquéfiée).
En l'absence de soleil, une expérience similaire réalisée à l'aide d'une lampe de puissance supérieure à 100 W permet de conduire, plus rapidement, à des constatations identiques.

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À noter que le mot « condensation », d'usage courant pour décrire le changement d'état gaz - liquide, est le mot scientifique réservé au changement d'état gaz - solide.
C'est donc bien le mot « liquéfaction » qu'il faut employer ici.

On remarquera, conformément aux exigences du programme de 5e en physique chimie, que ces changement d'état sont réversibles  et que l'évaporation nécessite un apport énergétique.

Expérience n° 3 : Fusion, solidification et ébullition, liquéfaction.

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Après avoir fait fondre le glaçon, on peut réaliser les deux expériences ci-dessous qui correspondent à des changements d'état effectués dans le sens opposé à celui des expériences précédentes.
Identifier la provenance des gouttelettes d'eau observables à l'extérieur du flacon de glace (1).

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Observer ce que devient l'eau du flacon (2) lorsqu'elle cède progressivement de la chaleur au mélange réfrigérant constitué de glace et de sel.

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On notera que la vaporisation étudiée ici est l'ébullition.
On constatera à nouveau que ces changement d'état sont réversibles et que l'évaporation nécessite un apport énergétique.