Cours Sciences et Technologie Ce cours s’adresse à toutes les personnes souhaitant

1. Cours Sciences et Technologie Ce cours s’adresse à toutes les personnes souhaitant une remise à niveau en Culture Scientifique. Le programme concerné est le programme du Concours d’Instituteurs, couvrant tous les domaines de Science et Technologie abordés jusqu’au niveau de la 3e. Le niveau est donc élémentaire, et ce cours contient un certain nombre d’exemples mais aussi d’approfondissements permettant un élargissement de la culture générale. Bonne lecture, Anne Tanguy Université Lyon 1 atanguy@lpmcn.univ-lyon1.fr

2. Bibliographie: Annales: « Les sciences et la technologie au concours de professeur des écoles » Hachette éducation. « concours de professeur des écoles: Sciences expérimentales et technologie Composante majeure » Hatier Concours . « Concours enseignement – Sciences et technologie » Foucher . Sites web: programme officiel de l’épreuve http://www.education.gouv.fr/pid97/siac1.html Accompagnement en sciences et technologie en primaire Site pédagogique du ministère: http://eduscol.education.fr/ Site du CNDP: http://www.cndp.fr/plan Fiches connaissance cycles 2 et 3: http://www.cndp.fr/archivage/valid/38285/38285-5692-5495.pdf Site de La Main à la Pâte http://www.lamap.fr Réseau Lyonnais d’Ingéniérie Educative http://www.ens-lyon.fr/RELIE

3. PROGRAMME DES COURS – 10 séances. Cours n°1: Mesures et unités. Cours n°2: La matière: les états de la matière – la température. Cours n°3: La matière: les changements d’états – mélanges et solutions. Cours n°4: L’énergie: formes, transferts et conservation de l’énergie. Cours n°5: La lumière: sources – propagation rectiligne de la lumière. Cours n°6: Electricité: générateurs et récepteurs, circuits électriques, sécurité des personnes et des installations. ------------------- Correction d’épreuve type -------------------- Cours n°7: Mécanique: équilibres (balances et leviers) – La transmission du mouvement. Cours n°8: Géophysique: la Terre – volcans et séismes. Cours n°9: Astronomie: la Terre et la Lune – le jour et la nuit, l’année et les saisons. Cours n°10: Astronomie: le système solaire et l’univers.

4. MESURES ET UNITÉS. • Les mesures à l’écoleprimaire: (programme de maths). • Cycle 2: grandeurs relatives à l’espace: la longueur. • mesure de masse. • mesureliée au temps: repérage (heure, calendrier) • mesure de durée. • la température: le thermomètre. • Cycle 3: longueuraired’une surface, volume. • mesure de masse: les balances. • mesure du temps: le ciel et la terre. • Introduction à la notion d’énergie (électricité, aliments…) • Introduction de la tension électrique (association de piles) • Plan du cours: • - Intro: l’harmonisation progressive des références de mesure. • Les unités du Système International (1960). • Définitionlégale du mètre (mesures de longueur). • Mesure de volumes et de masses. • Définitionlégale de la seconde (mesure du temps). • http://www.metrodiff.org (métrologie) • http://bipm.org (bureau international des poids et mesures) • http://www.industrie.gouv.fr/metro/aquoisert/

5. La mesure est une activité essentielle en sciences. L’observation aussi précise que possible de phénomènes demande d’être quantifiée. La mesure est garante d’objectivité, et permet d’établir des relations entre les grandeurs qui modélisent les phénomènes. Attitude à la base des sciences modernes. Historiquement: besoins de la vie quotidienne (échanges commerciaux, organisation du temps). Unités diverses: époques, régions, corporatismes… étalons (grandeur témoin) ou références +- explicites. Systèmes de mesure progressivement unifiés: 1795: création du système métrique, en France. 1960: système cohérent utilisé dans la majorité des pays: Système International d’unités (incluant le mètre).

6. Quelques dates clés de l’harmonisation progressive des références de mesure. 864: édit de Pitres, sous Charles le Chauve. 1540: édit de François 1er sur l’aunage. 1668: Toise du Châtelet 1735: Toise du Pérou et Toise du Nord. 1766: Toise de l’Académie (Louis XV) 6 mars 1790: proposition de l’évêque d’Autun et de Talleyrand pour un nouveau système de mesure. 8 mai 1790: principe adopté par l’Assemblée Nationale. Envois de délégués + formation d’une commission (Lavoisier…). 17 mars 1791: proposition de l’Académie des Sciences. 26 mars 1791: décret de l’Assemblée Constituante. 1er août 1793: adoption d’un système provisoire par la Convention. 7 avril 1795: loi constitutive du système métrique décimal. Décret de l’assemblée constituante, du 26 mars 1791: « Considérant que, pour parvenir à établir l’uniformité des poids et mesures, il est nécessaire de fixer une unité de mesure naturelle et invariable et que le seul moyen d’étendre cette uniformité aux nations étrangères et de les engager à convenir d’un système de mesure est de choisir une unité qui ne renferme rien d’arbitraireni de particulier à la situation d’aucun peuple sur le globe… adopte la grandeur du quart du méridien terrestre pour base du nouveau système de mesure; les opérations nécessaires pour déterminer cette base, notamment la mesure d’un arc de méridien depuis Dunkerque jusqu’à Barcelone seront incessamment exécutées. » Mesure de l’arc de méridien par triangulation: Jean-Baptiste Delambre (1749-1822) et Pierre Méchain (1744-1804).

7. Mesure de l’arc de méridien: Jean-Baptiste Delambre (1749-1822) et Pierre Méchain (1744-1804). …de 1792 à 1798… b a g Mesure par triangulation

8. A TOUS LES TEMPS, A TOUS LES PEUPLES Quelques dates clés de l’harmonisation progressive des références de mesure. 864: édit de Pitres, sous Charles le Chauve. 1540: édit de François 1er sur l’aunage. 1668: Toise du Châtelet 1735: Toise du Pérou et Toise du Nord. 1766: Toise de l’Académie (Louis XV) 6 mars 1790: proposition de l’évêque d’Autun et de Talleyrand pour un nouveau système de mesure. 8 mai 1790: principe adopté par l’Assemblée Nationale. Envois de délégués + formation d’une commission (Lavoisier…). 17 mars 1791: proposition de l’Académie des Sciences. 26 mars 1791: décret de l’Assemblée Constituante. 1er août 1793: adoption d’un système provisoire par la Convention. 7 avril 1795: loi constitutive du système métrique décimal. 1800-1837: retour aux mesures traditionnelles… …mais enseignement du système métrique dans les écoles. 4 juillet 1837 (France): le système métrique est obligatoire.

9. Quelques dates clés de l’harmonisation progressive des références de mesure. 4 juillet 1837 (France): le système métrique est obligatoire. 1875: signature de la Convention du Mètre, traité international. organisation en Comité International des Poids et Mesures (CIPM) Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM) Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) 1889: 1ère CGPM à Paris. 3e définition légale du mètre. 14 octobre 1960: 11e CGPM. Adoption du Système International. 20 octobre 1983: 17e CGPM. 5e définition légale du mètre. Actuellement: 51 états membres de la Convention du mètre + 27 états associés à la CGPM.

10. Les unités du système international (1960): Seconde Kilogramme Mètre Candela Ampère Kelvin Mole °K température 10-4 (Lord Kelvin) s temps 10-14 (minutum secundum) cd intensité lumineuse 10-3 (candela) mol quantité de matière (molecula) A intensité de courant 10-7 m longueurs 10-10 (metron) kg masses 10-9 (scrupulum -> gramma) Multiples et sous-multiples: dam deca 10 hm hecto 100=102 km kilo 1000=103 Mm méga 106 Gm giga 109 Tm téra 1012 Pm péta 1015 Eméxa 1018 dm déci 0.1=10-1 cm centi 0.01=10-2 mm milli 0.001=10-3 mm micro 10-6 nm nano 10-9 pm pico 10-12 fm femto 10-15 am atto 10-18

11. Avant l’adoption du système métrique décimal: Unités de longueur: doigt (grèce ~2cm – rome ~1,8cm), pouce (paris~2,7cm), palme (4 doigts), coudée, pied(paris~12 pouces = 32,5cm - grèce~30,8cm – rome~29,6 cm), 1 pied ~ 12 pouces ~ 12x12 lignes ~ 12x12x12 points, pas (grèce~74cm), stade (grèce~240 pas soit 177,6m) toise (~ 2 bras étendus ~ 6 pieds du roi ~ 1,95m) aune (pour les étoffes ~ 1,19m ~ 4 pieds romains) lieue (~4km en Touraine, ~6km en Provence ~ 2000 toises) 1668 « Toise du Châtelet » en fer 1735 « toise du Pérou » et « toise du Nord » 1766 (Louis XV) fabrication de 80 toises semblables à la toise du Pérou: « Toise de l’Académie » -> mètre provisoire de 1795. Unités de surface, de volume et de masse: pied carré, toise carrée, arpent, journal (étendue de terre travaillée en 1 jour). centiare (~1m2), are (~100m2), hectare (~100x100m2). litre (~1dm3), stère (~1m3). galopin (quantité de vin que l’on peut boire pendant un repas), picotin (ration d’un cheval ~3,2 L d’avoine). obole (grèce ancienne ~0,74g), livre (~327g – de 300 à 500g), once (romaine ~1/16 livre), scrupulum (rome ~1/24 once), gramma (grèce), pile de Charlemagne (~25 livres).

12. Les mesures de longueur: Mètre étalon en platine irridié (1889) Cale étalon en acier Normes NF E 11-010 et EN ISO 3650 Micromètre d’extérieur

13. Définition légale du mètre: 5e Définition, retenue au 20 octobre 1983: (17e conférence générale des poids et mesures) Longueur du trajet parcouru par la lumière dans le vide pendant 1/299 792 458 de seconde Précision = 10-10 Historique de la définition du mètre: motivée par des mesures d’arcs de méridiens: (abbé Jean Picard 1668, abbé Gabriel Mouton 1670, puis le savant italien Burattini 1675 introduit le « metro cattolico »: longueur du pendule battant la seconde.) Toise du Châtelet, 1668 Toise du Pérou (La Condamine, 1735) Toise du Nord (Maupertuis, 1735) Toise de l’Académie, 1766 Mesures de Delambre et Méchain (1792-1798) Mètre provisoire, loi du 1er août 1793 et du 7 avril 1795: 1/10 000 000 du quart du méridien de Paris soit 0,513 243 Toise de l’Académie. Nom donné par Charles de Borda. Mesures de La Condamine, Maupertuis, Cassini. 2e définition légale du mètre, 10 décembre 1799: à partir de l’étalon en laiton de Lenoir, soit 0,513 074 Toise de l’Académie. 3e définition légale du mètre, sept. 1889: à partir du prototype International de Tresca, en platine irridié (90%Pt,10%Ir) à 0°C. 4e définition légale du mètre, 14 oct. 1960: 1 650 763,73 longueurs d’onde dans le vide de la radiation orangée de l’atome de krypton 86 (100 fois plus précise). 5e définition légale du mètre, 20 oct. 1983: distance parcourue par la lumière dans le vide pendant 1/299 792 458 de seconde.

14. Pile de Charlemagne Mesure de la masse (inertielle) des astronautes sur la station spatiale Skylab Balances Les mesures de masse Qu’est-ce qu’une « masse » ? La masse d’un objet mesure la quantité de matière qui constitue cet objet. Elle est la même quel que soit l’endroit où cet objet se situe dans l’univers. A ne pas confondre avec le « poids » qui est une mesure de l’interaction de la masse et du champ de gravitation (P=M.g). Le poids est une force (exprimée en Newton 1N=1kg.m.s-2). La masse est exprimée en kilogramme (kg). On mesure également les masses en tonnes (1 t=1000 kg) et en unité de masse atomique (1u.m.a.=1/12 masse 12C). Equivalence entre « masse inertielle » et « masse grave » (principe de la chute des corps de Galilée: la vitesse d’un corps en chute libre sans frottements ne dépend pas de sa masse).

15. Choix des étalons de définition du kilogramme: -1791: masse d’un litre d’eau liquide pris à la température de la glace fondante (0°C) -1795: poids d’un litre d’eau liquide pris à sa température de densité maximale (4°C) -1889: étalon en platine irridié de 39mm de hauteur et de diamètre. (excède de 28mg la masse de référence de 1795).

16. Amedeo Avogadro (1776-1856) Mesure de quantité de matière: la Mole (mol). du latin « molecula » diminutif de « moles » (masse). Nombre d’atomes dans 12g de 12C (carbone 12). 1 mol=NA atomes ~ 6,0221367.1O23 atomes. 1mol de 12C pèse donc 12g. Mesure du nombre d’Avogadro

17. Les mesures du temps: Clepsydres Horloge à encens sablier Horloge astronomique (XVe) Cadrans solaire Cristal de quartz

18. Définition légale de la seconde: Définition retenue en 1967: Durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133. Précision de la mesure = 10-14 Historique de la définition de la seconde: origine astronomique. Jusqu’en 1956: 1/86 400 du jour solaire moyen. 1 jour = 24 heures = 24x60 minutes = 24x60x60 secondes. 1 jour solaire: entre 2 passages successifs du soleil au sud. De 1956 à 1967: 1/31 556 925,9747 de l’année tropique, de façon à corriger les effets dus aux irrégularités de la rotation de la terre. Depuis 1967: Temps Atomique International (césium 133). Temps solaire moyen = 0h lorsque le soleil passe au sud. Temps civil moyen = Temps solaire + 12h. Temps universel (TU, 1911) = Temps civil local de Greenwich. Heure légale (France, 1976) = TU + 1h en hiver; TU + 2h en été. Temps Universel Coordonné: ajustement par année, pour que 12h corresponde en moyenne sur l’année au passage du soleil au méridien de Greenwich.

19. PROGRAMME DES COURS – 10 séances. Cours n°1: Mesures et unités. Cours n°2: La matière: les états de la matière – la température. Cours n°3: La matière: les changements d’états – mélanges et solutions. Cours n°4: L’énergie: formes, transferts et conservation de l’énergie. Cours n°5: La lumière: sources – propagation rectiligne de la lumière. Cours n°6: Electricité: générateurs et récepteurs, circuits électriques, sécurité des personnes et des installations. Cours n°7: Mécanique: équilibres (balances et leviers) – La transmission du mouvement. Cours n°8: Géophysique: la Terre – volcans et séismes. Cours n°9: Astronomie: la Terre et la Lune – le jour et la nuit, l’année et les saisons. Cours n°10: Astronomie: le système solaire et l’univers.

20. LA MATIERE: états de la matière – température. • La matière à l’école primaire: programmes officiels 2008 • Cycle 2: - percevoir les changements d’état de la matière. • - distinguer solide, liquide et gaz. • - L’eau: le maintien de sa qualité pour ses utilisations. • - Mélanges et solutions. • Cycle 3:- Le principal objectif est de consolider la connaissance • de la matière et de sa conservation: • - états et changements d’états de l’eau • - l’air et les pollutions de l’air • - le trajet de l’eau dans la nature… • Plan du cours: • - Intro: qu’est-ce que la matière. • Les constituants élémentaires de la matière. • La matière solide. • L’état liquide. • L’état gazeux (vapeur). • La témpérature et la pression d’un gaz.

21. Exemple: l’air est pesant. Il est constitué de molécules de N2 (azote 4/5e), O2 (oxygène 1/5e), Ar, CO2 (gaz carbonique), H20 (eau)… Le poids de l’air est responsable de la pression atmosphérique. L’action de la pression atmosphérique a été mise en évidence par Otto von Guericke (1654) avec l’expérience des hémisphères de Magdebourg. faire le vide Maintenant, on peut voir les atomes (118) et les molécules. La propriété caractéristique de la matière est d’avoir une masse. La matère se conserve, c’est la loi de la conservation de la matière (Lavoisier, XVIIIe s.): «  Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. » …parfois la masse se transforme en énergie (relativité Einstein). (1743-1794)

22. Film « Le relief de l’invisible » (2004) www.ideale-audience.fr La matière est constituée d’atomes et de molécules, mais aussi d’autres constituants plus élémentaires. Comment voir « à l’intérieur » de la matière ? Microscopie optique à haute résolution: 1 m 0.5 mm (limité par la longueur d’onde de la lumière visible) Microscopie électronique à balayage: 1 mm 20 nm = 200 Å = 0.02 mm Microscopie électronique à transmission: 100 nm 1 Å Goutte d’eau Œil de mouche Atomes dans GaAs

23. Dimensions des constituants élémentaires de la matière: neutron femto atto

24. La cohésion de la matière se fait grâce aux forces d’interaction fondamentales: Gravitation: Newton F = M.g = M.M’. G / r2 (masse) Interaction éléctromagnétique: Coulomb F=q1.q2 /(4pe0.r2) puis Maxwell (charge électrique) Interaction forte: Cohésion à l’intérieur du noyau (couleur des quarks) Interaction faible: Responsable de la désintégration des éléments les plus lourds (radioactivité) Toute force d’interaction découle de ces forces fondamentales (y compris les forces de contact, les forces d’adhésion, de frottement, etc..)

25. http://quarks.lal.in2p3.fr/afficheComposants

26. La matière se présente sous différents états, avec les mêmes • constituants, mais sous différentes sollicitations (T,P…). • Les états solides et liquides sont des états condensés de la • matière. Les liquides et les gaz sont des fluides. • La matière solide: les atomes sont proches les uns des autres, • et parfois ordonnés ( cas des cristaux). Les solides conservent • une certaine forme propre, et résistent à toute déformation. • L’état liquide: un liquide n’a pas de forme propre, mais adopte • celle du récipient qui le contient. Sa surface est plate au repos • (tension de surface). Il se déforme facilement en cisaillement, • par exemple il coule sous l’action de son propre poids. • Un liquide incompressible conserve cependant son volume. • L’état gazeux: c’est l’état de la matière le moins dense. • Exemple de l’air: masse volumique de 1,2 g/L en C.N.T.P. • Comparaison avec l’eau liquide, 1kg/L en C.N.T.P. (0.6 g/L vapeur) • L’air est expansible: il occupe tout l’espace qui lui est offert. • C.N.T.P. : « Conditions Normales de Température et de Pression » • T = 20°C P = 1013,25 hPa = 1 atm SOLIDE LIQUIDE GAZ

27. État solide (illustrations) glaçon cristaux de glace (dendrites) La matière solide: les atomes sont proches les uns des autres, et parfois ordonnés ( cas des cristaux). Les solides conservent une certaine forme propre, et résistent à toute déformation. Agitation thermique sur une surface d’or. Sous l’effet de la température, les atomes oscillent sur place.

28. PCML –université Lyon I Les verres de table sont principalement constitués de silice (SiO2) amorphe. verre métallique (Vitreloy). Image par microscopie électronique à transmission de l’empilement atomique dans un nanocristal de silicium et de sa surface amorphe (échelle: 3 milliardièmes de mètre). O. Pouliquen (1997) Empilement désordonné de billes de taille millimétrique. Lorsqu’il est soumis à une agitation horizontale périodique d’amplitude supérieure au diamètre des grains, cet empilement granulaire finit par cristalliser. Nano-disque amorphe d’un matériau décrit par des forces d’interaction de type Lennard-Jones. En rouge: les forces attractives. En noir: les forces répulsives. O.Debrégeas et J.-M. di Meglio (2001) Mousse amorphe bidisperse bidimensionnelle faite de bulles de tailles différentes. Les traits indiquent les déplacements des bulles sous cisaillement. Attention: Solide Ordre positionnel Il existe aussi des solides désordonnés.Exemples:

29. État liquide (illustrations) L’état liquide: un liquide n’a pas de forme propre, mais adopte celle du récipient qui le contient. Sa surface est plate au repos (tension de surface). Il se déforme facilement en cisaillement: par exemple il coule sous l’action de son propre poids. Un liquide incompressible conserve cependant son volume.

30. État gazeux (illustrations) L’état gazeux: c’est l’état de la matière le moins dense. Exemple de l’air: masse volumique de 1,2 g/L en C.N.T.P. Comparaison avec l’eau liquide, 1kg/L en C.N.T.P. (0,6 g/L vapeur) L’air est expansible: il occupe tout l’espace qui lui est offert. Le choc des molécules sur la parois est à l’origine de la pression.

31. Chaleur et température: • Température, T: la température est reliée aux fluctuations • de vitesse des molécules constituant le corps, c.à.d. à leur • énergie cinétique (kB.T ~ 1/2.m.<v2>), leur agitation. • L’échelle thermodynamique de température (°K) donne 0°, • lorsque les molécules sont immobiles (« zéro absolu »). • Echanges de chaleur, dQ: quantité de chaleur (Joules). • Le flux de chaleur dépend de la conductivité thermique. • La chaleur va du chaud vers le froid. • Exemple: la sensation de température fournie par un morceau • de métal et un morceau de bois est différente. • Le métal est bon conducteur de la chaleur (grâce aux couplages • entre les mouvements des atomes par le biais des électrons), • tandis que le bois est un isolant thermique. Bois: isolant thermique. La chaleur reste au point de contact. Argent: sensation de froid. La main perd une quantité importante d’énergie (contact de 37 à 20 °C) au profit des atomes de métal qui transmettent facilement la chaleur.

32. T=T1 T=T2 > T1 Le volume augmente • Mesures de température: les thermomètres. • Ex.Thermocouples, résistance de platine, thermomètres à liquide. • Les thermomètres à liquide utilisent la propriété de dilatation • thermique. • Attention: • Bien attendre que l’équilibre thermique se fasse. • Ne pas toucher le thermomètre pendant la mesure. Bien mettre • le réservoir au contact avec le milieu. • Effectuer la lecture bien en face du niveau du liquide pour éviter • les erreurs de parallaxe.

33. PROGRAMME DES COURS – 10 séances. Cours n°1: Mesures et unités. Cours n°2: La matière: les états de la matière – la température. Cours n°3: La matière: les changements d’états – mélanges et solutions. Cours n°4: L’énergie: formes, transferts et conservation de l’énergie. Cours n°5: La lumière: sources – propagation rectiligne de la lumière. Cours n°6: Electricité: générateurs et récepteurs, circuits électriques, sécurité des personnes et des installations. Cours n°7: Mécanique: équilibres (balances et leviers) – La transmission du mouvement. Cours n°8: Géophysique: la Terre – volcans et séismes. Cours n°9: Astronomie: la Terre et la Lune – le jour et la nuit, l’année et les saisons. Cours n°10: Astronomie: le système solaire et l’univers.

34. LA MATIERE 2: changements d’états - mélanges. • Changements d’états et mélanges, à l’école primaire: • Cycle 2: - l’eau dans la vie quotidienne: glace, eau liquide, vapeur. • Observation des processus de solidification et de fusion, mis en • relation avec des mesures de température. • Cycle 3:- Le principal objectif est de consolider la connaissance • de la matière et de sa conservation: états et changements d’états • de l’eau, mélanges et solutions… • Éducation à l’environnement: • - Trajet et transformation de l’eau dans la nature. • - La qualité de l’eau. • Plan du cours: • rappels: température et pression. • Les changements d’état: fusion/solidification, • ébullition/liquéfaction, sublimation/condensation. • - Diagrammes de changement d’état. • Cas de l’eau: le cycle de l’eau dans la nature. • “évaporation” et “condensation”. • Les différents types de mélanges. Solubilité d’un solide ou d’un • gaz dans un liquide. Séparation des constituants d’un mélange. • - Cas de l’eau: contrôle de la qualité de l’eau.

35. Chaleur et température: • Température, T: la température est reliée aux fluctuations • de vitesse des molécules constituant le corps, c.à.d. à leur • énergie cinétique (kB.T ~ 1/2.m.<v2>), leur agitation. • L’échelle thermodynamique de température (°K) donne 0°, • lorsque les molécules sont immobiles (« zéro absolu »). • Echanges de chaleur, dQ: quantité de chaleur (Joules). • Le flux de chaleur dépend de la conductivité thermique. • La chaleur va du chaud vers le froid. • Exemple: la sensation de température fournie par un morceau • de métal et un morceau de bois est différente. Bois: isolant thermique. La chaleur reste au point de contact. Argent: sensation de froid. La main perd une quantité importante d’énergie (contact de 37 à 20 °C) au profit des atomes de métal qui transmettent facilement la chaleur.

36. Pression d’un gaz: La pression est une « force par unité de surface » provenant des chocs exercés par les molécules de gaz qui rebondissent sur les surfaces (une variation de quantité de mouvement m.v correspond à une force). F = m.Dv La pression atmosphérique, au niveau de la mer, à 20°C, est de P = 1 atm ≈ 105 Pascal ≈ 1 000 hPa. Cela correspond à un poids de 10 000 kg sur une surface de 1m2 ou à un poids de 1 kg sur une surface de 1cm2. (P = F / S). Volume donc P , les chocs sont plus fréquents. T donc P , à volume constant (P.V=cste.N.T). Mais si T et Volume , alors P …?... L’air est invisible, mais il est pesant. Son poids est de 1,2g/L en C.N.T.P. donc une pièce de 100m3 contient 120 kg d’air. Mais la pression de la pièce dépend aussi du poids de tout l’air présent au-dessus de la pièce. En montant en altitude, on se soustrait au poids de l’air resté en-dessous. C’est pourquoi la pression devient plus faible.

37. Altitude (km) 0 3 5 10 15 50 85 Pression (hPa) 1 013 700 540 260 100 11 0.01 Evolution de la pression de l’air, avec l’altitude: Atmosphère terrestre: N2 (azote 4/5e), O2 (oxygène 1/5e), Ar, CO2 (gaz carbonique), H20 (eau)… ( 50% de l’air sont dans les premiers 5 km 99% dans les 30 km)

38. Localement, l’air chaud s’élève. brise de mer: le jour, la terre chauffe + vite que la mer. Vent de la mer vers la terre. brise de terre: la nuit, de la terre vers la mer. Pression de l’air (dans la troposphère) et météo: Anticyclones: zones de pression > à la pression moyenne. Dépressions: zones de pression < à la pression moyenne (1atm). L’air chauffé est moins dense (Vol. non cst), d’où dépressions. À grande échelle, il y a un déplacement d’air des anticyclones (+ denses) vers les dépressions pour compenser les ≠ pressions. Mais le mouvement est contrarié par le mouvement de la terre (hémisphère Nord /hém. Sud). Les vents suivent donc à peu près les isobares ( = pressions)

39. Pression d’un gaz: La pression est une « force par unité de surface » provenant des chocs exercés par les molécules de gaz qui rebondissent sur les surfaces (une variation de quantité de mouvement m.v correspond à une force). F.Dt = m.Dv La pression atmosphérique, au niveau de la mer, à 20°C, est de P = 1 atm ≈ 105 Pascal ≈ 1 000 hPa. Cela correspond à un poids de 10 000 kg sur une surface de 1m2 ou à un poids de 1 kg sur une surface de 1cm2. (P = F / S)., L’air est invisible, mais il est pesant (1,2g/L). Volume donc P , les chocs sont plus fréquents. T donc P , à volume constant. Mais si T et Volume , alors P …?...

40. SOLIDE LIQUIDE GAZ Les différents états de la matière

41. Les différents types de changement d’état: La matière se présente sous différents états, avec les mêmes constituants, mais sous différentes sollicitations (T,P…). Les états solides et liquides sont des états condensés de la matière. Les liquides et les gaz sont des fluides. Selon la valeur de la température (T) et de la pression (P) la matière se présente sous différents états. Le volume (V) s’ajuste en conséquence. Les différents types de changement d’état sont les suivantes: ( ≈ évaporation ) Liquide ébullition fusion Solidification ( ≈ congélation ) Liquéfaction ( ≈ condensation) Gaz (vapeur) Solide condensation solide sublimation Remarque: Ces processus ne sont pas instantannés. Il faut que l’équilibre thermodynamique ait le temps de s’établir.

42. Diagrammes de changements d’état: (pour un corps pur) L’exemple de l’eau invisible invisible glace liquide vapeur (gaz) T à P =1atm 0°C 100°C T=cste

43. Diagrammes de changements d’état: Ils représentent le lieu des différents états d’équilibre possibles d’un corps pur, en fonction des 3 paramètres thermodynamiques: pression (P), volume (V), température (T). Allure typique en fonction de P, V et T: invisible invisible Point critique ébullition fusion Etat triple

44. T ébullition fusion vapeur glace eau liq. eau liq.

45. Les différents types de changement d’état: ( ≈ évaporation ) Liquide ébullition fusion Solidification ( ≈ congélation ) Liquéfaction ( ≈ condensation) condensation solide Gaz (vapeur) Solide sublimation • Exemples: • - Fusion de la glace: • Nécessite un apport d’énergie (quantité de chaleur) de 333J • pour faire fondre 1g d’eau ( à température constante = 0°C) • soit autant d’énergie que pour élever la température de 1g • d’eau liquide de 0°C à 80°C. • Surfusion: l’eau peut rester liquide un moment à moins de 0°C • (problème de « nucléation » d’un morceau de glace). • Ébullition et vapeur d’eau: • Formation de bulles de vapeur au sein du liquide, à 100°C à la • pression atmosphérique de 1013hPa. • Nécessite un apport d’énergie de 2249 J pour 1g d’eau. • La vaporisation d’1g d’alcool nécessite seult 700 J environ. • Mélange eau+NaCl: solidifie à -20°C. T coexistence glace + sel. • Utilisé comme mélange réfrigérant (3/4 glace + ¼ sel).

46. Le cycle de l’eau dans la nature: http://galileo.cyberscol.qc.ca Évaporation condensation précipitation écoulement

47. Le cycle de l’eau dans la nature: • http://galileo.cyberscol.qc.ca • « Évaporation de l’eau »: transformation lente de l’eau liquide • en vapeur d’eau au contact de l’air. A l’interface eau / air, • certaines molécules d’eau quittent le liquide pour devenir des • molécules libres mélangées à l’air. Dans le même temps, une • quantité (moindre) de molécules d’eau de l’air reviennent dans • le liquide. • Nécessite un apport d’énergie. Perte d’énergie au niveau du • liquide restant (sensation de froid). • Augmente avec température, ventilation, aire de contact. • Diminue avec humidité de l’air (air sec: 0,1% de H20 • air humide: 5% de H20). air eau - « Condensation de l’eau »: à la pression de vapeur saturante, condensation de la vapeur d’eau en goutelettes d’eau liquide. Formation de brouillard, nuages, rosée, ou givre. Psat dépend de la température. Si T Psat (plus difficile). Hygrométrie: mesure du « taux d’humidité » = rapport entre la concentration en vapeur d’eau et la concentration maximale à saturation (ex. 60% de taux d’humidité).

48. Les mélanges: • Un mélange est constitué de plusieurs corps interagissant • selon des forces de faible intensité. • Différents types de mélanges: • - Mélanges homogènes: on ne peut distinguer qu’une seule phase. • Mélanges hétérogènes: plusieurs phases • Corps ajouté solide liquide gaz • dans.. • un liquide suspension émulsion mousse • un gaz fumée bouillard … Ex.: colonne de fluides non-miscibles. essence Densité < celle de l’eau alcool huile eau glycérine Densité > celle de l’eau grenadine Liquides miscibles avec l’eau: alcool, sirop, vinaigre, lait, lessive.. Liquides non-miscibles avec l’eau: huile, essence, kérosène, paraffine (corps gras, hydrocarbures). non-miscibles entre voisins.

49. Solubilité d’un solide: grâce aux forces de solvatation de l’eau, sur les solides de structure ionique (sel…). Ex. limite de solubilité du sel est de 36g pour 100g d’eau (360g/L). limite de solubilité du sucre est de 200g pour 100g d’eau. Solubilité d’un solide si T . Attention: dissoudre≠ fondre (corps pur). Exemples de mélanges: Dissolution d’un gaz dans l’eau: ex. qques cm3 d’O2 par litre d’eau. ~ 1 litre de CO2 par litre d’eau ( à la pression atmosphérique). Solubilité d’un gaz si T . Séparation des constituants d’un mélange: par sédimentation, décantation, floculation, filtration, distillation, centrifugeation, chromatographie, électrophorèse, précipitation…

50. Application: contrôle de la qualité de l’eau: http://www.senat.fr/rap/l02-215-1.fr/l02-215-1.html • Pompage, dégrillage • Floculation • Décantation • Filtration sur sable • Ozonation • Filtration sur charbon actif • Chloration Visite du site de Veolia Eau (http://www.veoliaeau.com)