L'eau est l'un des liquides les plus importants sur Terre. Elle est présente dans les océans, les rivières, les glaciers, les nuages et les êtres vivants.

L'eau peut changer d'état, transporter de la chaleur, exercer une pression et mettre des objets en mouvement.

Les états physiques de l’eau

L’eau peut exister naturellement sous trois états physiques : solide, liquide et gazeux. Ces différents états dépendent principalement de la température et de la pression.

• À l’état solide, l’eau forme de la glace. Elle possède une forme propre et un volume propre. La glace est moins dense que l’eau liquide, ce qui explique qu’elle flotte à la surface des lacs et des océans.

  

• À l’état liquide, l’eau possède un volume propre mais elle n’a pas de forme propre. Elle prend la forme du récipient qui la contient et peut s’écouler.

  

• À l’état gazeux, l’eau devient de la vapeur d’eau. Elle n’a ni forme propre ni volume propre et occupe tout l’espace disponible.

  

Les changements d’état

L’eau peut passer d’un état physique à un autre lorsqu’elle reçoit ou perd de l’énergie thermique.

• Fusion : passage de l’état solide à l’état liquide.

  

• Vaporisation : passage de l’état liquide à l’état gazeux.

  

• Condensation : passage de l’état gazeux à l’état liquide.

  

• Solidification : passage de l’état liquide à l’état solide.

  

• Sublimation : passage direct de l’état solide à l’état gazeux.

Le rôle de la masse volumique

La masse volumique est le facteur principal qui détermine si un objet flotte ou coule. Elle correspond au rapport entre la masse d’un objet et le volume qu’il occupe.

• Un objet qui possède une masse volumique plus faible que celle de l’eau flotte.
• Un objet qui possède une masse volumique supérieure à celle de l’eau coule.
• Un objet ayant une masse volumique proche de celle de l’eau peut rester en équilibre entre deux eaux.

Ce principe explique pourquoi un morceau de métal coule alors qu’un bateau fabriqué avec ce même métal peut flotter : le bateau contient de grands volumes d’air qui diminuent sa masse volumique moyenne.

L’incompressibilité de l’eau

L’eau est considérée comme un fluide presque incompressible. Cela signifie que son volume varie très peu lorsqu’une pression lui est appliquée.

Cette propriété est utilisée dans les systèmes hydrauliques : une pression exercée sur un liquide peut être transmise efficacement pour produire une force importante.

La viscosité de l’eau

La viscosité mesure la résistance d’un fluide à son écoulement. Un liquide très visqueux s’écoule difficilement, comme le miel, tandis qu’un liquide peu visqueux s’écoule facilement, comme l’eau.

La viscosité d'un liquide dépend de la température : lorsqu’elle augmente, les molécules s’agitent davantage et le liquide devient moins résistant à l’écoulement.

La capacité thermique de l’eau

L’eau possède une grande capacité thermique, c’est-à-dire qu’elle peut absorber une importante quantité d’énergie avant d’augmenter fortement sa température.

Il faut environ 4,18 kJ d’énergie pour augmenter de 1 °C la température d’un kilogramme d’eau. Cette valeur est élevée par rapport à de nombreux autres liquides.

Cette propriété explique pourquoi l’eau joue un rôle majeur dans la régulation thermique de la planète. Les océans peuvent stocker beaucoup de chaleur pendant les périodes chaudes puis la restituer progressivement lorsque les températures diminuent.

La conductivité thermique de l’eau

La conductivité thermique représente la capacité d’un matériau à transmettre la chaleur. L’eau conduit mieux la chaleur que l’air, ce qui lui permet de transporter efficacement l’énergie thermique.

Cette propriété est utilisée dans de nombreux systèmes de refroidissement : l’eau circule autour d’un élément chaud, absorbe une partie de son énergie thermique puis transporte cette chaleur vers un autre endroit où elle peut être évacuée.

Dans la nature, la conductivité thermique de l’eau participe également aux échanges de chaleur dans les océans et les milieux aquatiques.

La turbidité de l'eau

Une eau parfaitement pure est généralement transparente, car ses molécules sont trop petites pour diffuser la lumière. Dans la nature, l'eau contient cependant souvent de nombreuses particules en suspension : argiles, limons, matières organiques, micro-organismes ou petits débris. La présence de ces particules rend l'eau plus ou moins trouble. Ce phénomène est appelé la turbidité.

La turbidité correspond donc à la capacité de l'eau à laisser passer la lumière. Plus une eau contient de particules en suspension, plus elle diffuse et absorbe la lumière, et plus elle apparaît opaque ou trouble. Une eau très turbide peut présenter une couleur blanchâtre, jaunâtre ou brunâtre selon la nature des particules présentes.

La turbidité est un indicateur de la qualité de l'eau. Dans les rivières, elle peut augmenter après de fortes pluies lorsque l'érosion des sols entraîne des particules vers les cours d'eau. Dans une eau potable, une turbidité élevée peut signaler une présence importante de matières en suspension et compliquer l'élimination des micro-organismes lors de la désinfection.

Pour mesurer la turbidité, les scientifiques utilisent un appareil appelé turbidimètre. Cet instrument envoie un faisceau lumineux dans un échantillon d'eau et mesure la quantité de lumière diffusée par les particules présentes. Plus la lumière diffusée est importante, plus la turbidité est élevée.

La mesure est généralement exprimée en unités de turbidité néphélométrique, appelées NTU (Nephelometric Turbidity Units). Une eau très claire possède une faible valeur de turbidité, tandis qu'une eau contenant beaucoup de particules en suspension présente une valeur plus élevée.

La capacité d’un objet à flotter ou à couler dans l’eau dépend de l’équilibre entre son poids et la force exercée par le liquide. Cette force, appelée poussée d’Archimède, explique le comportement des bateaux, des sous-marins ou encore de la glace à la surface des océans.

Le principe d’Archimède

Lorsqu’un objet est plongé dans un liquide, il déplace une certaine quantité d’eau. En réaction, l’eau exerce sur cet objet une force dirigée vers le haut : c’est la poussée d’Archimède.

Le principe d’Archimède affirme que tout corps immergé dans un fluide reçoit une force verticale vers le haut égale au poids du volume de fluide déplacé.

Autrement dit, plus un objet déplace une grande quantité d’eau, plus la poussée qui s’exerce sur lui est importante. Si cette force devient supérieure au poids de l’objet, celui-ci remonte et peut flotter à la surface.

La masse volumique de l’eau

La masse volumique correspond à la masse d’une substance pour un volume donné. Elle se calcule en divisant la masse par le volume :

ρ = masse / volume

Pour l’eau liquide, la masse volumique est d’environ 1 000 kg/m³, ce qui signifie qu’un litre d’eau possède une masse proche de 1 kg. Cette valeur est souvent simplifiée en considérant que la densité de l’eau est égale à 1.

Cette référence est utilisée pour comparer la densité d’autres substances. Un matériau dont la densité est inférieure à 1 flotte généralement sur l’eau, tandis qu’un matériau plus dense coule.

La masse volumique de l’eau varie légèrement avec la température. L’eau atteint sa masse volumique maximale vers 4 °C, ce qui explique un phénomène particulier : la glace est moins dense que l’eau liquide et flotte à sa surface.

Pourquoi les bateaux flottent

Un bateau flotte grâce à sa forme creuse qui lui permet de déplacer un grand volume d’eau tout en conservant une masse relativement faible par rapport à ce volume.

La coque du bateau contient de l’air, ce qui réduit sa masse volumique moyenne. L’eau déplacée exerce alors une poussée d’Archimède suffisante pour équilibrer le poids du bateau et de sa cargaison.

Plus un bateau est chargé, plus il s’enfonce dans l’eau afin de déplacer davantage de liquide. Tant que la poussée d’Archimède reste égale au poids total du bateau, celui-ci continue de flotter.

Le fonctionnement des sous-marins

Les sous-marins utilisent le principe d’Archimède pour contrôler leur profondeur. Ils possèdent des ballasts, des réservoirs qui peuvent être remplis d’eau ou d’air.

Lorsque les ballasts se remplissent d’eau, la masse du sous-marin augmente sans modifier fortement son volume. Sa masse volumique moyenne devient alors plus élevée que celle de l’eau : il descend.

À l’inverse, lorsque les ballasts sont remplis d’air, l’eau est expulsée, la masse volumique moyenne diminue et le sous-marin remonte vers la surface.

Pourquoi la glace flotte

La glace constitue un cas particulier car elle flotte alors qu’elle est composée de la même substance que l’eau liquide.

Lorsqu’elle gèle, l’organisation des molécules d’eau change. Les molécules forment une structure plus espacée qui occupe davantage de volume. La masse volumique de la glace devient donc plus faible que celle de l’eau liquide.

C’est pour cette raison que les glaçons flottent dans un verre et que la glace recouvre la surface des lacs en hiver. Cette propriété joue un rôle essentiel dans les écosystèmes : la couche de glace isolante protège l’eau située en dessous et permet aux organismes aquatiques de survivre.

Conclusion

La poussée d’Archimède permet de comprendre comment l’eau peut soutenir des objets très lourds, à condition que leur masse volumique moyenne reste adaptée au volume d’eau déplacé.