Les états physiques de la matière
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• reconnaître un corps solide, liquide ou gazeux ;
• définir le volume d'un corps et utiliser ses unités (m3, L, mL, cm3) ;
• calculer le volume d'un solide de forme simple et mesurer un volume avec une éprouvette graduée ;
• citer les propriétés de chaque état (forme propre, volume propre, compressibilité) ;
• décrire les trois états à l'échelle des particules.
Situation de départ
Un verre posé sur la table semble « vide ». Pourtant, si on l'enfonce à l'envers dans une bassine d'eau, l'eau n'y entre presque pas.
Le sable coule entre les doigts comme de l'eau : est-ce un liquide ? Et comment un plongeur peut-il respirer pendant une heure sous l'eau avec une petite bouteille sur le dos ?
I. Solide, liquide ou gaz ?
1. Ce que nous apprennent nos sens
Posons une bille d'acier sur la table et versons un peu d'eau dans un cristallisoir. On peut saisir la bille entre les doigts ; elle ne coule pas : l'acier est à l'état solide. L'eau, elle, ne se saisit pas entre les doigts : elle coule et n'occupe que le bas du récipient : elle est à l'état liquide.
La craie, un clou, une gomme ou un crayon sont des solides. L'huile, l'alcool, le lait ou le mercure (à la température ordinaire) sont des liquides.
Le sable, la farine, le sucre en poudre ou la semoule coulent, mais chaque grain se saisit entre les doigts et garde sa forme : ce sont des solides en petits grains.
2. L'air : une matière invisible
Enfonçons verticalement un verre retourné dans l'eau d'un cristallisoir : l'eau n'entre presque pas dans le verre. Inclinons-le : des bulles s'échappent et montent à la surface, et l'eau prend leur place.
Le verre « vide » était donc plein d'air. Deux corps ne peuvent pas occuper le même espace en même temps : l'eau ne peut entrer que si l'air sort.
L'air coule, ne se saisit pas entre les doigts et occupe tout l'espace qu'on lui offre : il est à l'état gazeux. Le dioxygène, le diazote, le dioxyde de carbone, le butane et la vapeur d'eau sont aussi des gaz.
La matière existe sous trois états physiques principaux : solide, liquide et gazeux.
Un solide se saisit entre les doigts. Les liquides et les gaz ne se saisissent pas et coulent facilement : ce sont des fluides.
II. Le volume d'un corps
1. Notion de volume
Une éprouvette contient de l'eau colorée. On y plonge tour à tour trois boules de pâte à modeler A, B et C. Avec A, le niveau de l'eau monte plus haut qu'avec B ; avec B et C, il monte au même niveau, bien que B soit une boule et C un boudin.
A occupe donc plus d'espace que B : on dit que A a un plus grand volume. B et C ont le même volume, même si leurs formes sont différentes.
Le volume V d'un corps est la grandeur qui mesure l'espace occupé par ce corps. Il ne dépend pas de sa forme.
Dans le Système international, le volume s'exprime en mètre cube (m3).
2. Les unités de volume
Le mètre cube est le volume d'un cube de 1 m d'arête : c'est une grande unité. On utilise souvent le litre (L) et le millilitre (mL). En remplissant de sable un cube en carton de 5 cm d'arête (5 × 5 × 5 = 125 cm3), puis en le versant dans une éprouvette graduée, on lit 125 mL : 1 mL = 1 cm3.
Correspondance des unités de volume
| Unité | Symbole | Valeur |
|---|---|---|
| mètre cube | m3 | 1 m3 = 1 000 dm3 = 1 000 L |
| décimètre cube | dm3 | 1 dm3 = 1 L = 1 000 cm3 |
| litre | L | 1 L = 1 000 mL |
| centimètre cube | cm3 | 1 cm3 = 1 mL = 10-6 m3 |
Une bouteille d'eau minérale contient 1,5 L, c'est-à-dire 1 500 mL = 1 500 cm3 = 1,5 dm3. Il faut 1 000 / 1,5 ≈ 667 bouteilles pour remplir un réservoir de 1 m3.
3. Calculer le volume d'un solide de forme simple
Si le solide a une forme géométrique simple, on mesure ses dimensions avec une règle ou un pied à coulisse, puis on calcule son volume. Toutes les longueurs doivent être exprimées dans la même unité.
Volume de quelques solides
| Solide | Dimensions | Volume |
|---|---|---|
| cube | arête a | V = a3 |
| pavé | L, l, h | V = L × l × h |
| cylindre | rayon R, hauteur h | V = π.R2.h |
| boule | rayon R | V = 43.π.R3 |
Une boîte de conserve cylindrique a un rayon R = 4,0 cm et une hauteur h = 10 cm :
4. Mesurer un volume
Pour mesurer le volume d'un liquide, on utilise un récipient gradué : l'éprouvette graduée (la plus précise), le bécher ou l'erlenmeyer gradués. La surface de l'eau est un peu creusée contre la paroi : elle forme un ménisque. Pour une lecture correcte :
• on pose l'éprouvette sur une table horizontale ;
• on place l'oeil à la hauteur de la surface du liquide ;
• on lit la graduation qui correspond au bas du ménisque.
Avant de lire, cherchez la valeur d'une division : écart entre deux nombres écrits, divisé par le nombre d'intervalles. Sur la figure 1, il y a 5 intervalles entre 60 et 70 mL : une division vaut 2 mL.
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