Faire monter de l’eau avec une bougie

On peut faire monter de l’eau dans un verre en utilisant la pression atmosphérique.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • un cristallisoir avec de l’eau (ou un récipient bas)

  • une bougie ou un tampon d’ouate imbibé d’alcool à brûler et du papier d’aluminium

  • un verre suffisamment grand pour qu’on puisse le retourner sur la bougie

  • éventuellement une pièce de monnaie

Montage et réalisation

Fixer une bougie debout dans un cristallisoir (faire couler quelques gouttes de cire dans le fond du récipient pour coller la base de la bougie).

On peut proposer cette expérience pour répondre au problème suivant : « Comment récupérer une pièce posée dans le fond du récipient rempli d’eau sans se mouiller les doigts ? ». La pièce doit être placée dans le récipient comme indiqué sur la figure. Attention à ne pas mettre trop d’eau dans le récipient mais juste la quantité qui se retrouvera à la fin dans le verre.

On peut remplacer la bougie par un morceau de coton imbibé d’alcool à brûler. Fabriquer avec une feuille de papier d’aluminium une sorte de nacelle dans laquelle on dépose le coton imbibé d’alcool pour qu’il flotte sur l’eau. Enflammer l’alcool du tampon d’ouate puis poser dessus le verre retourné : dans ce cas l’eau monte nettement plus haut qu’en utilisant une bougie (le niveau peut dépasser la moitié du verre).

Verser suffisamment d’eau dans le cristallisoir pour bien recouvrir le fond. Allumer la bougie puis poser le verre renversé sur la bougie: la bougie brûle quelques secondes et l’eau monte dans le verre. Le niveau de l’eau dans le verre étant nettement supérieur à celui du cristallisoir, on peut dire que la bougie a permis de faire monter l’eau.

On peut proposer cette expérience pour répondre au problème suivant :
« Comment récupérer une pièce posée dans le fond du récipient rempli d’eau sans se mouiller les doigts ? ».
La pièce doit être placée dans le récipient comme indiqué sur la figure précédente. Attention à ne pas mettre trop d’eau dans le récipient mais juste la quantité qui se retrouvera à la fin dans le verre.
On peut remplacer la bougie par un morceau de coton imbibé d’alcool à brûler. Fabriquer avec une feuille de papier d’aluminium une sorte de nacelle dans laquelle on dépose le coton imbibé d’alcool pour qu’il flotte sur l’eau. Enflammer l’alcool du tampon d’ouate puis poser dessus le verre retourné : dans ce cas l’eau monte nettement plus haut qu’en utilisant une bougie (le niveau peut dépasser la moitié du verre).

Explications

Le dioxygène de l’air (21 % en volume) disparaît lors de la combustion de la bougie et il apparaît du dioxyde de carbone, soluble dans l’eau, et de la vapeur d’eau qui se condense en partie.
A pression constante, le gaz restant (principalement le diazote de l’air) occupe donc un volume moindre que l’air initial, entraînant ainsi la montée de l’eau dans le verre sous l’effet de la pression atmosphérique qui appuie sur la surface libre de l’eau.
Comment expliquer que l’eau qui monte dans le verre puisse occuper un volume supérieur à 21 % du volume d’air initial ? La disparition du dioxygène de l’air n’est pas le seul phénomène responsable de la diminution du volume gazeux.
Lorsqu’on retourne le verre sur la flamme, on emprisonne des gaz très chauds qui se refroidissent lorsque la flamme s’éteint et occupent alors un volume nettement plus faible. La combustion du coton imbibé d’alcool produit une flamme nettement plus chaude que celle de la bougie (sa couleur en est le premier signe visible).
Le refroidissement des gaz résiduels est ainsi plus important dans la deuxième expérience, il entraîne donc une plus forte diminution de volume donc une montée de l’eau dans le verre encore plus importante.
Finalement la montée de l’eau dans le verre résulte de quatre phénomènes : consommation du dioxygène, dissolution du dioxyde de carbone, condensation de la vapeur d’eau et refroidissement du gaz résiduel.
Il est rare que les interprétations de cette expérience évoquent tous ces phénomènes. Glass (référence citée) critique sur ce point des livres comme celui de Ardley (référence citée) qui justifie la diminue du volume par la seule disparition du dioxygène.

Remarques

Puisque ce dispositif permet de faire monter de l’eau, il réalise la transformation de chaleur (énergie de combustion) en énergie mécanique (ici énergie potentielle de pesanteur).
L’énergie utile peut être calculée en calculant le gain d’énergie potentielle de l’eau.
Le rendement du dispositif est égal au rapport de l’énergie utile à l’énergie dépensée. Il est ici très faible puisque sa valeur est inférieure à 0,01 %. Ceci signifie que 99,99 % de l’énergie dépensée sont perdus sous forme de chaleur cédée à l’environnement et de travail cédé aux gaz.
On peut évaluer la chaleur produite par la combustion de la bougie en mesurant la durée de la combustion et en évaluant la puissance thermique dissipée par la combustion. Pour déterminer expérimentalement l’ordre de grandeur de la puissance thermique, on peut utiliser la combustion de la bougie pour chauffer une quantité d’eau connue, mesurer l’élévation de température qui en résulte et la durée de l’expérience. La puissance thermique s’obtient en divisant l’énergie thermique reçue par l’eau par la durée du chauffage. L’énergie thermique reçue est égale au produit de la capacité thermique massique de l’eau (4,18 kJ.K-1.kg-1) par la masse d’eau et par l’élévation de température.

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