Réponse : lorsque l'eau versée au fond de l'autocuiseur chauffe, elle s'évapore en occupant un volume plus grand et en augmentant la pression à l'intérieur du récipient : la température de vaporisation est alors augmentée. Comment explique-t-on ce phénomène ?
I. L'ébullition de l'eau
1. Mesurer la température d'ébullition de l'eau
Suivons tout d'abord l'évolution au cours du temps de la température de l'eau pure lorsqu'on la chauffe.
• Protocole : on place un bécher contenant de l'eau pure sur un support au-dessus d'un dispositif de chauffage. Un thermomètre, suspendu de façon à être dans l'eau sans toucher le fond du bécher, nous permet de mesurer la température toutes les 30 secondes. Nous notons les mesures de température dans un tableau et nous en déduisons le graphique qui suit.
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• Observation : sur le graphique, nous constatons que la température se stabilise autour de 100°C lorsque l'eau bout (c'est-à-dire quand l'eau liquide change d'état pour se transformer en vapeur d'eau). La température augmente une fois que le changement d'état est complètement effectué, c'est-à-dire quand il ne reste plus d'eau liquide dans le bécher.
• Interprétation : l'eau est un corps pur qui bout à la température constante de 100°C.
2. Température, chaleur et changement d'état
• Durant l'expérience, l'eau absorbe de l'énergie sous forme de chaleur, ce qui entraîne une élévation de la température de l'eau jusqu'à 100° C.
• Quand l'eau se met à bouillir, l'énergie absorbée permet le changement d'état à température constante.
• Une fois le changement d'état terminé, l'énergie absorbée entraîne de nouveau une hausse de la température, jusqu'à l'équilibre thermique.
II. L'influence de la pression
• La température d'ébullition de l'eau pure (100°C) a été mesurée à la pression atmosphérique ambiante d'environ 1 013 hPa (hectopascals). Si la pression augmente ou diminue, la température d'ébullition de l'eau va être modifiée. C'est ce que nous allons observer dans l'expérience qui suit.
• Protocole : un bécher, contenant de l'eau pure et un thermomètre, est chauffé jusqu'à une température d'environ 80°C. Le bécher est ensuite placé sous une cloche à vide dont la pompe aspire l'air de façon à diminuer la pression sous la cloche.
• Observation : très rapidement, l'eau se met à bouillir alors que la température mesurée par le thermomètre est toujours aux environs de 80°C. Si la pompe permet de diminuer fortement la pression, l'ébullition devient même très violente.
• Interprétation : la température de changement d'état d'un corps dépend donc de la pression. Ainsi, la température d'ébullition de l'eau diminue lorsque la pression diminue et augmente lorsque la pression augmente.
• On utilise ce principe dans les autocuiseurs : l'augmentation de la pression permet d'augmenter la température d'ébullition de l'eau et ainsi d'accélérer la cuisson des légumes et des viandes en augmentant leur température interne sans les assécher. En effet, l'eau ne bout plus à 100°C et peut même rester liquide jusqu'à environ 130°C.
• À l'inverse, en altitude (en montagne, par exemple), on peut rencontrer certaines difficultés en voulant faire cuire des aliments sans autocuiseur. En effet, la pression atmosphérique y étant inférieure à 1 013 hPa, la température d'ébullition de l'eau est inférieure à 100°C, ce qui ralentit la cuisson ou peut la rendre incomplète.
III. Deux échelles de température
• Nous remarquons que les deux températures de changement d'état de l'eau correspondent à des chiffres curieusement significatifs : 0 °C pour la solidification de l'eau et 100°C pour l'ébullition de l'eau.
• Cela n'est pas dû au hasard, puisque l'échelle de température Celsius, créée en 1742 par le Suédois Anders Celsius, est effectivement basée sur les changements d'état de l'eau. Constatant que la solidification de l'eau se faisait toujours à la même température, de même que son ébullition, A. Celsius décida de créer une échelle de température universelle où la température de solidification de l'eau et celle de l'ébullition de l'eau seraient séparées de cent unités.
• Actuellement, l'unité officielle de température utilisée par le Système International d'unités (SI) est le kelvin. L'échelle de température qui lui correspond est la même que l'échelle Celsius mais avec un décalage de – 273,15°C, valeur qui est celle du zéro absolu, température la plus basse qui puisse être atteinte par un corps.
Exercice n°1
Que devrait-on dire lorsque l'eau bout ?
Cochez la bonne réponse.
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Lorsque l'eau bout, elle ne s'évapore pas ; on dit qu'elle se vaporise. L'ébullition de l'eau est une vaporisation qui a lieu dans tout le liquide à une température bien définie et non pas en surface comme l'évaporation.
Exercice n°2
Quelle est la température d'ébullition de l'eau pure, dans des conditions normales ?
Cochez la bonne réponse.
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Dans des conditions normales, l'eau pure bout à 100°C. Cette température d'ébullition est caractéristique de l'eau pure.
L'eau absorbe de l'énergie sous forme de chaleur, ce qui entraîne une élévation de la température de l'eau jusqu'à 100°C.
Quand l'eau se met à bouillir, l'énergie absorbée permet le changement d'état à température constante. Une fois le changement d'état terminé, l'énergie absorbée entraîne de nouveau une hausse de la température, jusqu'à l'équilibre thermique.
L'eau absorbe de l'énergie sous forme de chaleur, ce qui entraîne une élévation de la température de l'eau jusqu'à 100°C.
Quand l'eau se met à bouillir, l'énergie absorbée permet le changement d'état à température constante. Une fois le changement d'état terminé, l'énergie absorbée entraîne de nouveau une hausse de la température, jusqu'à l'équilibre thermique.
Exercice n°3
Que se passe t-il lorsque l'on fait bouillir de l'eau pure ?
1. La température de l'eau reste constante pendant toute la durée de l'ébullition.
Cochez la bonne réponse.
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2. On augmente la puissance de la source de chaleur. La température d'ébullition de l'eau va augmenter.
Cochez la bonne réponse.
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La température d'ébullition de l'eau pure est de 100°C, elle ne varie pas pendant toute la durée de l'ébullition. L'énergie apportée par la source de chaleur permet le changement d'état mais n'augmente pas la température d'ébullition.
Exercice n°4
L'eau bout-elle toujours à 100°C ?
Cochez la bonne réponse.
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La température de changement d'état d'un corps dépend de la pression. Ainsi, la température d'ébullition de l'eau diminue lorsque la pression diminue, et augmente lorsque la pression augmente.
Exercice n°5
Vrai ou faux ?
1. Dans un autocuiseur (cocotte-minute), l'eau bout à 130°C.
Cochez la bonne réponse.
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2. Au somment du Mont-Blanc, l'eau bout à 85°C.
Cochez la bonne réponse.
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1. Dans les autocuiseurs, l'augmentation de la pression permet d'augmenter la température d'ébullition de l'eau et ainsi d'accélérer la cuisson des légumes et des viandes en augmentant leur température interne sans les assécher. En effet, l'eau ne bout plus à 100°C et peut même rester liquide jusqu'à environ 130°C.
2. À l'inverse, en altitude (en montagne, par exemple), on peut rencontrer certaines difficultés en voulant faire cuire des aliments sans autocuiseur. En effet, la pression atmosphérique y étant inférieure à 1 013 hPa, la température d'ébullition de l'eau est inférieure à 100°C, ce qui ralentit la cuisson ou peut la rendre incomplète.
Exercice n°6
Quelles sont les unités utilisées pour exprimer une température ?
Cochez la (ou les) bonne(s) réponse(s).
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L'échelle de température Celsius, créée en 1742 par le Suédois Anders Celsius, est basée sur les changements d'état de l'eau. Constatant que la solidification de l'eau se faisait toujours à la même température, de même que son ébullition, Celsius décida de créer une échelle de température universelle où la température de solidification de l'eau et celle de l'ébullition de l'eau seraient séparées de cent unités.
Actuellement, l'unité officielle de température utilisée par le Système International d'unités (SI) est le Kelvin. L'échelle de température qui lui correspond est la même que l'échelle Celsius mais avec un décalage de − 273,15°C (valeur qui est celle du zéro absolu) température la plus basse qui puisse être atteinte par un corps.
Actuellement, l'unité officielle de température utilisée par le Système International d'unités (SI) est le Kelvin. L'échelle de température qui lui correspond est la même que l'échelle Celsius mais avec un décalage de − 273,15°C (valeur qui est celle du zéro absolu) température la plus basse qui puisse être atteinte par un corps.
