l'eau d'un bol

[invite30d70963]

Un bol rempli d'eau est laissé au soleil à t = 0. On place un thermomètre dans le bol. Constat : la température augmente au cours du temps, jusqu'à atteindre la température extérieure. Comment expliquer ceci à l'échelle microscopique ?

Pour commencer, on rappelle que la molécule d'eau forme un dipôle électrique. Placé dans un champ électrique comme celui d'une onde électromagnétique, ces dipôles ont tendance à s'aligner dans le sens du champ. Le champ électrique de la lumière variant constamment, les molécules d'eau de la surface du bol vont se mettre à tourner dans un sens et dans l'autre, créant ainsi de la chaleur. Comment se passe la suite ? Voilà deux propositions :
l'onde lumineuse ne pénètre que sur une faible épaisseur de la surface ( tout se passe comme si l'eau était une onde évanescente lorsqu'elle pénètre dans l'eau ) , l'énergie lumineuse transportée par cette onde étant convertie en énergie cinétique des molécules d'eau. On observe alors un gradient de température le long du bol. Petit à petit, la chaleur va se propager le long du bol par conduction. Au bout d'un certain temps, la température de l'eau du bol sera ainsi celle de l'extérieur.
l'onde lumineuse pénètre jusqu'au fond du bol ( l'eau est un milieu transparent ) et va agiter de manière identique toutes les molécules du bol.

La deuxième proposition n'est pas très satisfaisante car alors à t=0+, toutes les molécules devraient avoir la même énergie cinétique imposée par la température extérieure, c'esta à dire que l'eau devrait être quasi istantanément à la température extérieure, ce qui est rejeté par l'expérience.

La première explication me paraît donc satisfaisante, si l'on admettait cette propriété «*evanescente*» de la lumière dans l'eau. Cependant, cette propriété semble fausse, puisque la lumière se propage dans l'eau ( un verre d'eau est visible à la lumière ! ).

Quelle est votre explication du phénomène à l'échelle micro, et pourquoi la mienne n'est ( éventuellement ) pas satisfaisante ?
-----

[invite30d70963]

Pardon, j'ai oublié les tirets. Voici, pour plus de clarté :

...
-l'onde lumineuse ne pénètre que sur une faible épaisseur ...
-l'onde lumineuse pénètre jusqu'au fond du bol...

[Cassano]

La réponse la plus évidente serait que la température est une grandeur macroscopique. Donc définir une temérature microscopique n'a pas de sens.

[citron_21]

salut,
sans explication d'origine electromagnétique, pourquoi ne pas expliquer ce phénomène tout simplement par le fait que l'agitation extérieure des molécules tend à uniformiser la "vitesse d'agitation de l'eau dans le bol", c'est-à-dire à tendre vers une agitation uniforme de l'eau et de l'air ambiant... la température d'un milieu s'explique par le degré d'agitation des molécules. On peut aussi le voir en terme d'entropie. L'eau du bol va créer de l'entropie (c'est-à-dire du désordre au sein de ses molécules) avec l'augmentation de sa température...

en espérant t'avoir un peu aidé

[A voir en vidéo sur Futura]

[Romain-des-Bois]

La deuxième proposition n'est pas très satisfaisante car alors à t=0+, toutes les molécules devraient avoir la même énergie cinétique imposée par la température extérieure, c'esta à dire que l'eau devrait être quasi istantanément à la température extérieure, ce qui est rejeté par l'expérience.

Je veux bien que admettre toutes les molécules d'eau ont en permanence la même énergie cinétique, mais pourquoi cela impose-t-il que l'eau devrait être quasi instantanément à la température extérieure ?

Ne peut-il pas y avoir agitation des molécules d'eau "petit à petit" ? (ce qui n'est pas incompatible avec l'uniformisation spatiale de l'énergie cinétique)


Romain

[LPFR]

Bonjour.

Je veux bien que admettre toutes les molécules d'eau ont en permanence la même énergie cinétique, mais pourquoi cela impose-t-il que l'eau devrait être quasi instantanément à la température extérieure ?

Ne peut-il pas y avoir agitation des molécules d'eau "petit à petit" ? (ce qui n'est pas incompatible avec l'uniformisation spatiale de l'énergie cinétique)
Romain

Toutes les molécules d'eau n'ont pas exactement la même énergie cinétique. Elles l'ont en moyenne, mais la répartition d'énergie obéit aux règles statistiques habituelles. Il y en a peu avec peut ou beaucoup d'énergie et beaucoup avec une énergie proche de l'énergie moyenne.
Et l'eau ne se met pas instantanément en équilibre avec la température extérieure. Si c'était le cas, l'eau de la mer serait beaucoup plus chaude en été et beaucoup plus froide en hiver.
L'eau se réchauffe "petit à petit" en se mettant très rapidement en équilibre thermodynamique (répartition d'énergies entre les molécules).
Au revoir

[citron_21]

dans ce cas-la, qu'est-ce qui assure l'agitation des molécules ? qu'est-ce qui empêche l'eau de se réchauffer plus vite ?

[predigny]

Alors, ma version perso, c'est que d'abord il faudrait faire l'expérience pour voir si c'est vrai. Il faudrait la faire dans des conditions variées (couleur, matière et forme du bol, vitesse du vent, angle du soleil par rapport à la surface du bol, ..) Si vraiment la température tend vers la température ambiante c'est que l'énergie des rayons du soleil est très peu absorbée par l'eau ce qui est normale si l'eau est pure. C'est surtout le bol qui absorbera cette énergie. Reste aussi l'évaporation de l'eau qui fera baisser la température, surtout s'il y a du vent. Si le bol est blanc, on pourrait bien avoir de l'eau plus froide que l'ambiant.
De toute façon, le soleil, il n'y en a quasiment plus si j'en juge par le temps qu'on a depuis des mois à Paris.

[citron_21]

Alors, ma version perso, c'est que d'abord il faudrait faire l'expérience pour voir si c'est vrai. Il faudrait la faire dans des conditions variées (couleur, matière et forme du bol, vitesse du vent, angle du soleil par rapport à la surface du bol, ..) Si vraiment la température tend vers la température ambiante c'est que l'énergie des rayons du soleil est très peu absorbée par l'eau ce qui est normale si l'eau est pure. C'est surtout le bol qui absorbera cette énergie. Reste aussi l'évaporation de l'eau qui fera baisser la température, surtout s'il y a du vent. Si le bol est blanc, on pourrait bien avoir de l'eau plus froide que l'ambiant.
De toute façon, le soleil, il n'y en a quasiment plus si j'en juge par le temps qu'on a depuis des mois à Paris.

cependant, on peut aussi faire l'expérience sans vent, sans soleil...
on prend de l'eau qui était auparavant au frigo, puis on la laisse à l'air ambiant dans un bol, à l'intérieur de la maison. Normalement, rien n'empêchera l'eau de s'uniformiser en température, et d'atteindre celle de la pièce...

[predigny]

cependant, on peut aussi faire l'expérience sans vent, sans soleil...
on prend de l'eau qui était auparavant au frigo, puis on la laisse à l'air ambiant dans un bol, à l'intérieur de la maison. Normalement, rien n'empêchera l'eau de s'uniformiser en température, et d'atteindre celle de la pièce...

Quelqu'un a prétendu le contraire ? Encore qu'il faudrait aussi que l'hygrométrie de l'air soit à 100% pour que ce soit vrai.

[citron_21]

Quelqu'un a prétendu le contraire ?

Pas à ma connaissance. Mais je me disais juste que comme la question initiale portait sur le phénomène de réchauffement de l'eau, dû à l'uniformisation de sa température avec celle de l'air ambiant, il était peut être plus judicieux de ne pas tenter l'expérience dehors. Un certain nombre d'éléments "parasites" viendraient perturber les observations que l'on veut en faire...

Encore qu'il faudrait aussi que l'hygrométrie de l'air soit à 100% pour que ce soit vrai.

Pourquoi ?

[predigny]

...
Pourquoi ?

Parce que l'évaporation de l'eau produit un refroidissement de l'eau. On se sert de ce phénomène pour mesurer l'humidité de l'air : on prend deux thermomètres identiques dont l'un a le bulbe entouré d'un chiffon mouillé. L'évaporation de l'eau, donc le refroidissement du chiffon, est d'autant plus grand que l'air est sec. Un abaque traduit la température et la différence de température en humidité relative de l'air. A 20°C et un air très sec le thermomtre "mouillé" peut avoir plusieurs degrés en moins que le "sec". A 100% d'humidité, les deux thermomètres indiquent la même valeur.

[citron_21]

c'est possible, 100% d'humidité dans l'air ?

[predigny]

c'est possible, 100% d'humidité dans l'air ?

C'est possible théoriquement mais c'est difficile à obtenir car le "point de rosée" est à la température ambiante, c'est à dire que l'humidité va se condenser en liquide sur toute surface, ce qui assèchera l'air, mais 99% avec quelques précautions c'est faisable.

[Cassano]

Plusieurs choses.

Si le bol est a l'air libre, dans un pièce a température ambiante, l'eau contenue dans le bol va se thermaliser, par conduction (on pourra observer un gradient de température entre la surface de l'eau et le centre). Mais, par phénomène de diffusion, l'eau va s'uniformiser et atteindre une température moyenne qui est celle de l'air ambiant.

Maintenant si tu met ton bol au soleil, il est fort a parier que la température de l'eau va devenir plus élevée que celle de l'air ambiant, car celle-ci sera agitée par les rayons électromagnétiques solaires, et que sa capacité calorifique est bien plus importnte que celle de l'air...

[invite30d70963]

Si le bol est a l'air libre, dans un pièce a température ambiante, l'eau contenue dans le bol va se thermaliser, par conduction (on pourra observer un gradient de température entre la surface de l'eau et le centre). Mais, par phénomène de diffusion, l'eau va s'uniformiser et atteindre une température moyenne qui est celle de l'air ambiant.

Nous sommes d'accord !

Pour le reste, je trouve que l'on tourne autour du pot ( enfin du bol... ). Je me restreins pour cela au cas où l'eau est chauffée par rayonnement solaire.

Apparemment, nous sommes d'accord pour dire qu'apparaît dans le bol un gradient de température ( l'eau au fond est plus froide que l'eau de la surface ) jusqu'à atteindre l'équilibre de température avec l'extérieur. Cela signifie que la température se propage au cours du temps par conduction : les molécules de la surface cognent les molécules qui sont sous elles, et ainsi de suite jusqu'au fond du bol. Ainsi, tout se passe comme si la lumière ne se propageait qu'en surface car si elle se propageait dans toute l'eau du bol, l'agitation des molécules du fond serait la même que celle de la surface ( en vertu de l'explication que j'ai donnée s'appuyant sur la représentation de dipôle pour les molécules d'eau ) et l'on n'aurait alors plus de gradient de température !

[Cassano]

Non. Cela n'a acun rapport avec la lumière. Met ton bol dans une pièce entièrement noire, l'eau va se thermaliser de la même façon.
Le fait que l'eau atteigne la température de l'air ambiant n'a rien avoir avec un quelconque réchauffement solaire.

[invite30d70963]

Non. Cela n'a acun rapport avec la lumière. Met ton bol dans une pièce entièrement noire, l'eau va se thermaliser de la même façon.
Le fait que l'eau atteigne la température de l'air ambiant n'a rien avoir avec un quelconque réchauffement solaire.

Tu veux dire que le soleil réchauffe juste l'air et que c'est l'air qui va réchauffer l'eau ?

[predigny]

Tu veux dire que le soleil réchauffe juste l'air et que c'est l'air qui va réchauffer l'eau ?

Le soleil chauffe tout ce qui absorbe ses rayons : l'eau et en très grand épaisseur, l'atmosphère car l'air contients des poussières, des gaz, .. qui absorbent les rayon IR, le sol, surtout quand il est sombre, les plantes, ta peau, ... Mais l'eau dans un bol, c'est infinitésimal, le bol chauffera plus vite sans eau et au soleil il peut dépasser de beaucoup la température de l'air ambiant.

[invite30d70963]

Le soleil chauffe tout ce qui absorbe ses rayons : l'eau et en très grand épaisseur

Tu veux par là dire qu'une onde lumineuse se propage sur une grande épaisseur dans l'eau ? Dans ce cas pourquoi observe-t-on un gradient de température ?

au soleil il peut dépasser de beaucoup la température de l'air ambiant.

Comment est-ce possible ?

P.S. La question qui m'intéresse le plus est la première, qui est la question initiale. Ne partons pas en longue discussion sur la deuxième !

[invitea774bcd7]

L'équation de la chaleur, c'est une équation de diffusion. Ça met du temps à se propager, c'est pas instantané… (j'ai lu ce sujet en diagonal. Ça se voit ? )

[invite30d70963]

L'équation de la chaleur, c'est une équation de diffusion. Ça met du temps à se propager, c'est pas instantané… (j'ai lu ce sujet en diagonal. Ça se voit ? )

Ok. La question est d'expliquer ceci par un raisonnement à l'échelle microscopique et dans le cas où l'eau est chauffée par rayonnement solaire.

j'ai lu ce sujet en diagonal. Ça se voit ?

Oui

[invitea774bcd7]

J'ai lu un peu mieux

Mes two cents : ce qui réchauffe l'eau de ton bol ce n'est pas tant les rayons lumineux provenant du soleil mais plutôt l'air ambiante. Tu t'es demandé ce qui se passe si tu mets ton bol dans une grosse cloche à vide ?

[invite30d70963]

Mes two cents : ce qui réchauffe l'eau de ton bol ce n'est pas tant les rayons lumineux provenant du soleil mais plutôt l'air ambiante.

Pourquoi ?

[invitea774bcd7]

Ça me semble logique, non ?
Tu parles toi-même de « température extérieure » i.e. la température des molécules d'air autour du bol. Mets ton bol dans une cloche à vide, aucune molécule d'air autour du bol, rien. C'est quoi là la « température extérieure » ?
C'est donc tout bêtement une source chaude (l'air autour du bol), une source froide (l'eau du bol) et une thermalisation entre la source chaude et la source froide obéissant à l'équation de la chaleur (j'ai réussi à la caser quand même )

Je peux me tromper, je propose…

Tout simplement : tu mets ton bol sous un parasol qui arrête les rayons du soleil. L'eau de ton bol va rester froide ?

[invite30d70963]

D'accord, mais ne penses-tu pas qu'il peut y avoir 2 causes qui réchauffent l'eau : l'air ambiant ( je suis entièrement d'accord ) mais aussi le rayonnement solaire ? ( tu peux relire le tout premier message qui explique cette cause )

[invite30d70963]

le tout premier message, qui explique cette cause

selon moi bien entendu !

[invitea774bcd7]

Oui les deux phénomènes participent. M'est avis que l'un est extrêmement prédominant sur l'autre, c'est tout.
Bien sûr ton eau est transparente, les rayons lumineux donnent de l'énergie à toutes les molécules en même temps. Mais c'est négligeable et noyé par la convection de l'air ambiante.

[predigny]

Tu veux par là dire qu'une onde lumineuse se propage sur une grande épaisseur dans l'eau ? Dans ce cas pourquoi observe-t-on un gradient de température ?
....

Le gradient de température à deux raisons, la première c'est que les rayons du soleil sont plus intenses dans les premiers mètres puisqu'ils sont absorbés progressivement ; à 20m il ne reste plus beaucoup d'énergie. La seconde raison c'est que l'eau chaude est plus légère que l'eau froide ce qui permet à la couche d'eau superficielle chauffée par le soleil de rester là où elle est.
Pour le bol au soleil, sa temperature finale va dépendre de la température de l'air ambiant, bien sûr, mais aussi et même surtout de la façon dont le matériaux aborbe et rayonne l'infra-rouge. Certains matériaux absorbent beaucoup et émettent très peu, dans ce cas la température peut monter très haut.

[invite30d70963]

Le gradient de température à deux raisons, la première c'est que les rayons du soleil sont plus intenses dans les premiers mètres puisqu'ils sont absorbés progressivement ; à 20m il ne reste plus beaucoup d'énergie. La seconde raison c'est que l'eau chaude est plus légère que l'eau froide ce qui permet à la couche d'eau superficielle chauffée par le soleil de rester là où elle est.
Pour le bol au soleil, sa temperature finale va dépendre de la température de l'air ambiant, bien sûr, mais aussi et même surtout de la façon dont le matériaux aborbe et rayonne l'infra-rouge. Certains matériaux absorbent beaucoup et émettent très peu, dans ce cas la température peut monter très haut.

Oui les deux phénomènes participent. M'est avis que l'un est extrêmement prédominant sur l'autre, c'est tout..Bien sûr ton eau est transparente, les rayons lumineux donnent de l'énergie à toutes les molécules en même temps. Mais c'est négligeable et noyé par la convection de l'air ambiante.

Pour résumer : dans le cas du bol, il n'y a pas de gradient de température en longueur puisque, les dimensions étant faibles, l'eau cède avec une très bonne approximation la même quantité d'énergie à des molécules d'eau situées à des hauteurs différentes dans le bol. La cause principale du réchauffement de l'eau est le contact molécule d'eau-molécule de la paroi du bol.

Sommes-nous d'accord ?