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4. Expérimentation et montage d’un thermomètre à eau

Question de départ :

Pourquoi le liquide du thermomètre à eau monte-t-il quand il fait chaud et descend-il quand il fait froid ?

Les tentatives de réponses :

• Quand l’eau est chaude ça monte, parce que la chaleur fait monter
• Parce que ça fait de la vapeur qui monte avec le colorant et l’eau
• Quand on chauffe dans une casserole, ça monte, ici, comme ça peut pas déborder, ça monte le long du tuyau
• C’est comme un volcan
• Ça monte, parce que sinon ça exploserait à cause de la pression

Ajout d’un indice : « comment est la glace ? »

• Quand il fait froid, l’eau prend moins de place et quand il fait chaud, l’eau se décontracte, alors elle prend plus de place

Après une semaine de recherches personnelles en dehors de la classe - Réponses en retour :

• Quand il faut chaud, ça se décontracte, ça a donc besoin de plus de place
• J’ai demandé à mon papa, les cellules prennent de la place quand il fait chaud, et quand il fait froid les cellules se regroupent et prennent moins de place, c’est comme si elles faisaient un bloc.
• On est allés sur internet avec ma grand-maman, et on a trouvé que de le liquide il y a des molécules qu’on ne voit pas et quand on refroidit le liquide elles se rassemblent et prennent moins de place. Quand on chauffe le liquide, les molécules s’agitent dans tous les sens et elles prennent beaucoup de place et le liquide monte. On dit que le liquide se dilate.
• Quand il fait froid, c’est comme si les molécules avaient froid et qu’elles se serrent l’unes contre l’autre.
• Sous l’effet de la chaleur les molécules d’eau gonflent ce qui donne plus de volume donc le niveau de l’eau monte et ça prend plus de place.
• Il doit y avoir quelque chose avec la pression atmosphérique
• Dilater et contracter… Le Thermomètre en degrés Celsius peut aller jusqu’à 356° et -39° (à cette température le mercure se congèle et à 357 il bout.

Les réponses scientifiques

La formule chimique de l’eau est H2O

Ce qui signifie que la molécule d’eau est formée d’un atome d’oxygène relié à deux atomes d’hydrogène.

Les 3 états de l'eau

L'eau est un élément caméléon, qui peut prendre trois visages : solide, liquide ou gazeux selon la température et la pression ambiantes.

Ces différentes formes s'expliquent par la façon dont les molécules sont attachées entre elles : dans la vapeur d'eau elles sont indépendantes, dans l'eau liquide elles vont par paires, dans la glace elles sont groupées dans une structure hexagonale formant des cristaux.



Mais ça se complique un tout petit peu quand on essaie de mesurer les températures…

Pour mesurer une température, il faut... un thermomètre. C'est bon, tout le monde le sait. Supposons que ce soit un thermomètre standard, avec son petit réservoir de liquide qui se dilate s'il fait chaud. Plongeons-le dans un verre d'eau chaude. Comment le thermomètre "sait-il" qu'il fait chaud, et qu'il est censé réagir et indiquer quelque chose?... Ou bien, comment l'information "température" est-elle transmise à notre sonde? Observons la vie cachée des thermomètres :



L'eau étant au début plus chaude que le thermomètre, réchauffe celui-ci, ce qui augmente sa température. Mais réchauffer un objet, c'est lui fournir de l'énergie.

Dans notre cas, le transfert s'effectue par collisions des molécules rapides du liquide chaud, qui agitent progressivement les molécules du thermomètre froid.

Un équilibre finit par s'établir : si le thermomètre se réchauffe, c'est que l'eau se refroidit (elle perd de l'énergie).

Il est donc difficile de mesurer la température de l'eau, puisque mesurer, c'est perturber... On aura vraiment la température du liquide, s'il y en a assez pour que l'on puisse négliger la baignade du thermomètre.

Lorsque l'équilibre thermique est réalisé, il n'y a plus d'échange d'énergie entre l'un ou l'autre puisque les deux objets sont à la même température.

On suppose ici que l'air de la pièce ne vient pas mettre son grain de sel en tentant de refroidir l'ensemble...