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.

Dans l’eau, la pression augmente dès que l’on descend en profondeur. Ce phénomène explique les sensations ressenties en plongée et impose des contraintes importantes dans les constructions immergées.

La pression hydrostatique dans l’eau

La pression hydrostatique correspond à la pression exercée par un liquide immobile sous l’effet de son propre poids. Chaque couche d’eau située au-dessus d’un point exerce une force sur les couches inférieures.

Plus on descend dans l’eau, plus la quantité d’eau située au-dessus augmente. Le poids de cette colonne d’eau devient alors plus important, ce qui entraîne une augmentation de la pression.

Cette pression s’exerce dans toutes les directions : vers le bas, vers le haut et sur les côtés. C’est pourquoi un objet immergé dans l’eau subit une pression qui vient de l’ensemble du liquide qui l’entoure.

La variation de la pression avec la profondeur

La pression dans l’eau augmente de manière régulière avec la profondeur. En eau douce, la pression augmente d’environ 1 bar tous les 10 mètres de profondeur.

À la surface, l’eau subit déjà la pression de l’atmosphère. En descendant, il faut donc ajouter la pression exercée par la masse d’eau située au-dessus du plongeur.

• À la surface : la pression est d’environ 1 bar (pression atmosphérique).
• Vers 10 mètres de profondeur : la pression totale atteint environ 2 bars.
• Vers 20 mètres de profondeur : elle atteint environ 3 bars.

Cette augmentation est liée à la masse volumique de l’eau : comme l’eau est beaucoup plus dense que l’air, la pression augmente rapidement dès que la profondeur devient importante.

Les unités utilisées pour mesurer la pression

La pression peut être exprimée avec plusieurs unités. Dans le système international, l’unité officielle est le pascal (Pa), mais d’autres unités sont couramment utilisées selon les domaines.

• Le pascal (Pa) est l’unité scientifique de référence.
• Le bar est souvent utilisé en plongée et dans les applications industrielles.
  1 bar = 100 000 Pa
• L’atmosphère (atm) correspond approximativement à la pression exercée par l’air au niveau de la mer.

Ces différentes unités permettent de décrire la pression selon le contexte étudié : recherche scientifique, équipements industriels ou activités sous-marines.

Les applications de la pression dans l’eau

La variation de pression avec la profondeur est un élément essentiel en plongée sous-marine. Le corps humain contient des cavités remplies d’air, comme les oreilles et les poumons, qui subissent directement les variations de pression. Les plongeurs doivent donc équilibrer régulièrement la pression, notamment au niveau des oreilles, lors de la descente.

Cette pression influence également la conception des barrages. La partie basse d’un barrage doit être beaucoup plus résistante que la partie supérieure, car elle supporte une pression de l’eau plus élevée. C’est pourquoi les barrages sont généralement plus épais à leur base.

La pression hydrostatique intervient aussi dans de nombreux autres domaines : les sous-marins, les réservoirs d’eau, les systèmes hydrauliques ou encore les installations situées au fond des océans doivent être conçus pour résister aux forces exercées par l’eau.

Conclusion

La pression dans l’eau dépend principalement de la profondeur et explique les contraintes particulières rencontrées dès qu’un objet ou un organisme s’enfonce dans un milieu aquatique.