Questions aux experts

Pour compléter la réponse de R. E. Eastes sur l'eau chaude et l'eau froide, une expérience simple permet d'observer la dilatation de l'eau. Elle consiste à construire un thermomètre à eau. On place un chalumeau (une "paille") dans le goulot d'une bouteille, en le laissant dépasser d'environ 10 cm, et l'on réalise l'étanchéité avec de la pâte à modeler. J'ai fait l'expérience en utilisant le matériel dont je disposais, à savoir une bouteille en verre, un bouchon de liège percé pour faire passer la paille et de la "Patafix" pour assurer l'étanchéité. Une bouteille plastique ferait l'affaire et serait chauffée ou refroidie plus facilement... On remplit la bouteille d'eau avant de placer le bouchon et la paille en évitant qu'il reste de l'air dans le goulot. On place la bouteille dans un récipient rempli d'eau chaude et l'eau de la bouteille, se dilatant, monte dans la paille. Le niveau de l'eau est plus visible si l'eau est colorée...
Ordre de grandeur avec une bouteille de 75 cl, une paille de 5 mm de diamètre et une variation de température d'environ (non mesurée...) 30 degrés, le niveau d'eau varie d'environ 5 cm. Si la variation de température est effectivement de 30 degrés, le calcul donne 6 cm. Avec une bouteille de 1,5 l, on devrait obtenir une variation de niveau double.

Merci beaucoup de ces explications. Je pensais proposer aux élèves de "vérifier" ce phénomène en faisant chauffer de l'eau pour constater "la place" qu'elle prend en comparaison de l'eau froide. Je ne suis pas certaine que cette expérimentation soit scientifiquement suffisante pour expliquer le phénomène de "place" prise par l'eau chaude. Qu'en pensez-vous ?

Il me semble que cette expérience est "scientifique valable" ; cependant, je ne suis pas certain que la différence de volume soit mesurable. Je ne connais en tout cas pas de protocole permettant de la mettre en évidence.
Notez encore, car j'ai omis de le préciser, que l'eau froide est plus dense que l'eau chaude uniquement dans la gamme 4 °C - 100 °C. Au delà de 0 °C en effet, des agrégats d'une soixantaine de molécules d'eau existent au sein du liquide (ce sont en quelque sorte des glaçons microscopiques) ; or la densité de la glace (et donc celle de ces "microglaçons") est beaucoup plus faible que celle de l'eau, on le sait bien (les icebergs flottent sur l'eau).

Dans la mesure où lorsque la température de l'eau s'élève au dessus de 0 °C, ces agrégats se disloquent (fondent) progressivement, cela produit un effet de contraction de l'eau. Or entre 0 °C et 4 °C, il subsiste suffisamment de ces agrégats pour compenser et inverser l'effet de dilatation thermique responsable de l'évolution de la densité de l'eau entre 4 °C et 100 °C...

L'eau possède donc une densité maximale à 4 °C, et non à 0 °C, comme la première partie de ma réponse il y a quelques jours pouvait le laisser supposer en première approximation. Notons encore que ce phénomène permet à la vie de subsister l'hiver dans les lacs, car si l'eau à 0 °C était l'eau la plus dense, les lacs gèleraient en totalité beaucoup plus facilement. Au contraire, grâce à l'effet décrit ci-dessus, l'eau à 0 °C "protège" les couches d'eau à 4 °C en les isolant du froid de l'atmosphère, ce qui leur permet de rester liquide plus longtemps, et généralement jusqu'au printemps suivant...

Lorsque l'on chauffe l'eau, les particules qui la constituent (les molécules d'eau) s'agitent de plus en plus, et de ce fait, occupent un volume de plus en plus important (par analogie, songez par exemple à la différence entre le nombre de couples de danseurs de rock'n'roll et le nombre de couples de danseurs de slow que l'on peut placer sur une même piste de danse sans qu'ils se gênent).
Ainsi, un volume donné (par exemple 1 litre) d'eau chaude (danseurs de rock) contient moins de molécules que le même volume d'eau froide (danseurs de slow) 1 litre d'eau chaude est donc plus léger qu'1 litre d'eau froide. On peut ainsi dire que l'eau chaude est "plus légère" que l'eau froide (*). De même que l'huile est "plus légère" que l'eau et remonte à la surface lorsqu'on mélange ces deux liquides, l'eau chaude remonte à la surface de l'eau froide lorsqu'on les mélange. Ce phénomène est très étonnant, car on s'attend à ce que l'eau chaude et l'eau froide se mélangent instantanément. En fait, il n'en est rien le mélange de l'eau dans l'eau se fait très difficilement, car les molécules d'eau sont très liées entre elles. Ce phénomène peut également être observé lorsque deux rivières de couleurs différentes se rencontrent, ou lorsqu'un fleuve se jette dans la mer.
(*) En fait, il est plus rigoureux car plus précis de traduire cette notion de "légèreté" par deux grandeurs analogues appelées masse volumique (unité kg/m3) et densité (sans unité) ces deux grandeurs sont plus faibles pour l'eau chaude que pour l'eau froide (l'eau chaude est moins dense que l'eau froide).