Questions to the experts

Cette expérience prouve... que l'eau est aussi étrange qu'un ornithorynque !
A force de côtoyer cette molécule si commune, et si vitale pour nous, on finit par croire qu'elle possède des propriétés "ordinaires", or il n'en est rien. En effet, pour la plupart des liquides le "glaçon" coule, puisque la phase solide est, en général, plus dense que la phase liquide, elle-même plus dense que la phase gazeuse. Pour l'eau c'est le contraire, et cela tient aux interactions très particulières entre les molécules d'eau qui, étant fortement polaires (l'oxygène porte une charge négative tandis que les hydrogènes portent une charge positive) s'ordonnent entre elles selon des arrangements assez complexes (il n'existe pas une seule forme de glace, mais plusieurs !). Le résultat, c'est que la structure formée par les molécules dans un glaçon est plus volumineuse (donc moins dense) que celle formée par les mêmes molécules à l'état liquide.
Mais même l'état liquide n'est pas simple, puisque quand on chauffe l'eau à partir de 0°C, elle commence par... se contracter ! Sa densité maximale n'est atteinte que vers 4°C, après quoi elle commence à se dilater si on continue à chauffer, comme tout liquide "normal". Bref : ne pas croire que ce qu'on voit tous les jours est forcément la règle, ce pourrait bien être l'exception !

D'une manière générale, la densité des solides est supérieure à celle des liquides qui leur ont donné naissance par refroidissement, à l'exception de la fonte et de la glace.
Cela tient aux distances intermoléculaires plus faibles dans le solide par suite de la diminution de l'agitation thermique avec la diminution de la température.
Dans le cas de l'eau et de la glace le problème est plus compliqué par suite de la structure de la molécule d'eau et de l'existence de liaisons dites "hydrogènes" entre l'atome d'oxygène d'une molécule, et les atomes d'hydrogène des molécules environnantes. Cette liaison donne à l'eau des propriétés particulières (température de fusion et d'ebullition beaucoup plus élevées que celles prévues par extrapollation avec des composés analogues) et une structure tridimensionnelle de l'eau à l'état solide imposée par l'existence de cette liaison. Dans cette structure, les distances moyennes des molécules d'eau entre elles sont plus élevées que dans le liquide, d'ou une densité plus faible.

Lorsque l'air se détend, il se refroidit.
A la sortie de la seringue, je pense qu'il s'agit de la condensation de la vapeur d'eau de l'air extérieur à la seringue au contact de l'air plus froid sortant de la seringue. cette condensation forme une sorte de brouillard interprêté ici comme de la fumée. On a l'impression que ce brouillard sort de la seringue car il se forme au contact de l'air qui sort de la seringue, donc il accompagne cet air.

Visuellement on peut montrer facilement que la détente d'un gaz provoque du froid ; une bouteille de butane ou propane en fonctionnement pendant assez longtemp (pour alimenter une rôtissoire par exemple sur un marché) se recouvre de glace qui provient de la condensation de la vapeur d'eau de l'air au voisinage de la bonbonne, puis de sa solidification en glace par suite du froid résultant de la détente du gaz pour alimenter le brûleur. C'est ce principe qui est utilisé dans les réfrigérateurs pour produire du froid.

Peut-être serait il utile de compléter la réponse en ce qui concerne la première partie de l'expérience qui est la compression de l'air dans la seringue, qui ensuite va permettre la détente. La compression de l'air produit de la chaleur, comme chacun a pu le constater en gonflant un pneu de bicyclette avec une pompe "traditionnelle" et en ressentant l'échauffement du corps de pompe.L'expérience de la seringue devrait marcher avec une bonne pompe de vélo. Il peut être intéressant de faire remarquer que compression et détente sont associés à des échanges thermiques opposés.