L'Eau au quotidien

Michel Laguës

Description

À tous ceux que la science interpelle, intrigue, effraie, passionne, à tous ceux qui ne veulent pas être des consommateurs aveugles, les Éditions Odile Jacob proposent une collection de livres scientifiques destinés aux enseignants, comme aux parents d’élèves qui voient revenir chez eux des enfants plein d’interrogations. Ils n’ont pas pour vocation de préparer quiconque à un examen ou à un concours, mais de satisfaire la curiosité de tous ceux qui veulent se cultiver. Cette collection invite nos concitoyens à mettre "le pied à l’étrier". Ce livre, écrit par un jeune scientifique fraîchement diplômé de l’Université, nous introduit dans les grands principes de conservation de la physique qui sont sous-jacents aux discussions sur l’environnement. Daniel Mangili, professeur de physique au lycée Saint-Louis dans les classes préparatoires aux Grandes Écoles, anime cette nouvelle collection.

Sujets

• Santé et bien-être
• Santé du quotidien
• Santé au quotidien
• Santé au quotidien
• Les Amateurs de sciences
• Health
• Fitness

Informations

• Publié par: Odile Jacob
• Date de parution: 01 février 2001
• Nombre de lectures: 2
• EAN13: 9782738168887
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Ouvrage publié sous la responsabilité éditoriale de Gérard Jorland
O DILE J ACOB, JANVIER  2001 15, RUE S OUFFLOT , 75005 P ARIS
www.odilejacob.fr
ISBN 978-2-7381-6888-7
Le code de la propriété intellectuelle n'autorisant, aux termes de l'article L. 122-5 et 3 a, d'une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l'usage du copiste et non destinées à une utilisation collective » et, d'autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration, « toute représentation ou réproduction intégrale ou partielle faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (art. L. 122-4). Cette représentation ou reproduction donc une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle.
Ce document numérique a été réalisé par Nord Compo .
À Robin, Mathilde, Guillaume, Sophie et tous les enfants à qui nous empruntons le monde.
Préface

Les médias et l’enseignement classique nous donnent des images très déformées de la science. Par exemple :
« la science c’est d’abord des mathématiques »,
« la science c’est d’abord de l’informatique »,
« la science c’est d’abord de très grosses machines, accélérateurs, navettes spatiales, etc. » ;
ou, dans un autre registre :
« la science c’est le viol de la nature »,
« la science c’est le privilège d’une caste »,
« la science c’est une religion impériale, qui étouffe d’autres approches ».
Pour former les citoyens du futur – appelés à prendre des décisions techniques majeures sur l’énergie, léenvironnement, léthique,… il faut donner une image plus juste : faire connaître les vrais fondements de la culture scientifique. En particulier :
L’observation, exercice difficile, mais qui peut-être efficacement cultivé chez l’enfant.
Le sens de la mesure et des ordres de grandeur : ici aussi, une aptitude qui peut être développée par une culture patiente.
Une certaine forme de ténacité : savoir s’accrocher pour arriver à un résultat net, ou à une explication cohérente, ou (pour les inventeurs) à un objet utile.
Une bonne dose d’esprit critique : maîtriser les règles de travail de son époque, mais savoir les remettre en cause de temps en temps.
Tous ces aspects sont pris en compte dans le libre de Michel Lagües. C’est une sorte de « guide vert » de la Matière condensée qui permet de se promener dans un jardin de connaissance, un peu comme on visite les châteaux de la Loire : il y a ce qu’il faut de culture de base pour se faire une idée de la Renaissance, et il y a une description spécifique de certains « châteaux ».
Tous les châteaux ne sont pas également accessibles. Celui qui est intitulé « superfluidité » me paraît réservé à quelques fanatiques. Et, dans l’autre sens, la description des maisons rurales du Val de Loire est un peu brève. (Ce que je veux dire ici, c’est que j’aurais aimé un long florilège sur les molécules importantes de la vie quotidienne.)
Mais, au total, ce livre est vraiment un guide, avec le côté souriant, varié, imprévu, qu’il faut. Les enseignants et les formateurs de notre système d’éducation (primaire, collège…) devraient en tirer des idées fortes et des exemples simples. Je lui souhaite un franc succès.
P. G. de G ENNES novembre 2000.
1
Introduction

Force électrique et température ordonnent le monde et notre vie

L e monde offre une nourriture essentielle à notre cerveau lorsqu’il stimule nos sens. Les multiples sensations que nous éprouvons sont aussi la matière première dont nous extrayons les contours de l’infiniment petit et de l’infiniment grand, du très chaud et du très froid, les descriptions des composants élémentaires qui explosent dans la fournaise du big-bang* 1 ou de ceux qui donnent leur saveur aux vins. Si la description scientifique du monde nécessite des outils nombreux, deux grandes lois suffisent pour décrire notre univers quotidien. En premier lieu, la complexité du monde de la vie et de ses perceptions est due à la force électrique. Celle-ci gouverne la variété des atomes*, leur stabilité, le foisonnement des structures fortement liées dans lesquelles ils sont engagés. L’autre loi est celle de la chaleur. Lorsque la température change, la diversité augmente dans la nature par la modification des structures ato miques faiblement liées. La température mesure l’agitation des atomes. Elle est à l’origine des changements d’état, des transitions entre état solide, liquide ou gazeux. Certains changements, la fusion de la glace ou l’ ébullition, nous sont familiers depuis que nous sommes tout petits, mais la richesse des formes que peut prendre la matière est bien plus variée que ce que nous en observons au quotidien.
Ce livre voudrait être un compagnon de promenade autour de ces changements d’état. Ceux de l’eau y sont des sentiers privilégiés, mais nous y visitons également d’autres splendides chemins, états et changements d’état que nous montre la nature. Les cristaux liquides* équipent aujourd’hui montres, téléphones, calculatrices, et remplaceront demain nos écrans de télévision. Les supraconducteurs*, que nous rencontrons aujourd’hui dans les scanners IRM fondés sur la résonance magnétique*, remplaceront peut-être demain les lignes de transport de l’électricité et le silicium dans une nouvelle électronique. Tous, petits et grands, pouvons expérimenter et comprendre comment tout cela marche. Commençons par mettre la main à la pâte en expérimentant sur les mystères que nous réservent la glace, l’eau et la vapeur.
Les enfants observent quotidiennement des changements d’état de la matière, le plus souvent ceux de l’eau. L’eau est notre premier constituant et notre première nourriture. Elle permet des expériences simples et ses changements d’état sont facilement observables. Ce manuel contient des éléments scientifiques destinés à répondre aux questions des élèves, certainement pas à toutes. Même l’eau pure dans ses états les plus simples est loin d’être décrite de façon satisfaisante par notre savoir. Les enfants comprendront, et sans doute apprécieront, que les enseignants reconnaissent parfois « ne pas savoir », ou simplement « ne pas pouvoir expliquer ». Sachons rester modeste, c’est la première leçon.
Après une brève introduction aux méthodes d’observation et d’expérimentation, ce manuel est organisé en cinq parties principales, successivement la matière, les états d’un corps pur, les propriétés des liquides, les changements d’état, et enfin une brève description de la matière mélangée (hétérogène). L’idée de matière est, au même titre que celles de temps et d’espace, un grand outil pour décrire notre monde. La matière paraît en soi tellement évidente qu’il semble inutile de la définir. Les hommes se sont pourtant interrogés depuis des millénaires, et s’interrogent toujours, sur sa nature et sa structure profonde. Depuis l’Antiquité, ils en ont fait des descriptions variées, principalement qualitatives . Ces descriptions ne prévoient que des qualités, qui ne se traduisent pas par des nombres : le Soleil est chaud et loin, la glace dure et froide, la Lune faiblement lumineuse… Durant ces derniers siècles, le langage des descriptions scientifiques est devenu quantitatif, acquérant ainsi un formidable pouvoir de prédiction, voilà la grande avancée.

T RADUIRE NOS   OBSERVATIONS EN   NOMBRES
Les propriétés des objets sont aujourd’hui mesurées par des chiffres, que l’on peut vérifier, comparer, ajouter : le Soleil, qui se trouve à 150 millions de km, a une température externe de 6 000 °C, la glace à la pression atmosphérique (1 bar) en présence d’eau liquide est à 0 °C à l’équilibre… Dans le tableau ci-dessus, la taille des objets Terre ⇒ ballon ⇒ molécule* ⇒ noyau est chaque fois divisée par environ 20 millions. Pour les objets de la taille de la molécule ou plus petits, les effets dits quantiques sont très sensibles : il est nécessaire d’utiliser une théorie particulière, la physique quantique*, étrangère à notre intuition. Une théorie classique, beaucoup plus simple, suffit pour décrire correctement les états de la matière à notre échelle : l’étude des échanges d’énergie entre atomes à l’échelle microscopique permet de prévoir l’état de la matière. Par opposition aux configurations microscopiques, on qualifie de macroscopique l’état de la matière à notre échelle.

L’ ORDRE ET   LE   DÉSORDRE DUS   À   LA   TEMPÉRATURE
L’état macroscopique que nous observons est dû à l’organisation des atomes entre eux 2 à l’échelle microscopique. Les atomes d’un corps ne sont pas dans des états différents lorsque la matière est dans l’état gazeux, liquide ou solide : il n’existe pas de molécules de glace ou de vapeur, il n’existe que des molécules d’eau identiques dans les états glace, liquide ou vapeur. Ce sont seulement les différences d’organisation microscopique entre molécules qui expliquent les différences entre les états que nous observons. Les changements sont principalement dus à la température, c’est-à-dire à l’agitation des molécules. Dans le cas d’un corps pur, ces changements sont très nets, tandis qu’ils s’étalent en général dans une gamme de températures plus étendue pour les mélanges.
Depuis une centaine d’années, ces changements d’état, les transitions de phase , ont été étudiés avec une grande précision, dans les fluides et les solides, pour les matériaux magnétiques, ferroélectriques*, pour les mélanges, etc. Cette très grande quantité de mesures a montré qu’il existait des règles étonnamment générales qui régissent les propriétés des matériaux très près de la transition . Les physiciens ont longtemps été incapables d’en rendre compte : ils se doutaient de l’origine de cette universalité tout en ne sachant pas comment effectuer les calculs correspondants. Ils rencontraient une difficulté inédite, les mécanismes responsables de la transition n’ayant pas de taille caractéristique : on n’observait pas de modification en changeant l’échelle d’observation comme le grossissem