52 première partie La chimie de la vie
L’eau ayant une chaleur spécifique plus élevée que la plupart des autres substances (l’ammoniaque liquide est la seule
substance naturelle ayant une valeur plus élevée), sa température varie moins quand elle absorbe ou libère une certaine
quantité de chaleur. Par exemple, la raison pour laquelle vous
pouvez vous brûler les doigts sur la poignée métallique d’une
casserole alors que l’eau dans le contenant est encore tiède,
c’est que la chaleur spécifique de l’eau est dix fois plus élevée
que celle du fer : cela signifie qu’il faut apporter seulement
0,1 calorie pour augmenter de 1 °C la température de 1 g de
fer. Autrement dit, pour une même quantité de chaleur, la
température de 1 g de fer s’élève beaucoup plus vite que celle
de 1 g d’eau. On peut concevoir la chaleur spécifique d’une
substance comme une mesure de sa résistance aux changements de température quand elle absorbe ou libère de la
chaleur. L’eau résiste aux variations de température ; quand sa
température change, elle absorbe ou perd une quantité de chaleur relativement grande pour chaque degré de changement.
Comme pour bon nombre de ses propriétés, ce sont les
liaisons hydrogène de l’eau qui lui confèrent sa chaleur spécifique élevée. En effet, pour que cellesci se brisent, il faut
apporter de la chaleur ; inversement, il se produit un dégagement de chaleur lorsque ces liaisons se forment. Une quantité
de chaleur de 1 calorie provoque une variation relativement
petite de la température de l’eau. Ce phénomène s’explique
par le fait qu’une bonne partie de cette énergie thermique
sert à rompre les liaisons hydrogène avant que le reste fournisse aux molécules d’eau l’énergie nécessaire pour qu’elles se
mettent en mouvement et s’agitent plus intensément. De
plus, lorsque la température de l’eau baisse légèrement, beaucoup d’autres liaisons hydrogène se forment, libérant une
quantité considérable d’énergie sous forme de chaleur.
Quelle est l’importance de la chaleur spécifique élevée de
l’eau pour la vie sur la Terre ? Une grande étendue d’eau peut
absorber et emmagasiner une énorme quantité de chaleur
solaire durant le jour et au cours de l’été, tout en se réchauffant de quelques degrés seulement. La nuit et au cours de
l’hiver, elle se refroidit graduellement et peut réchauffer l’air.
C’est pourquoi le climat des régions côtières est généralement
plus doux qu’à l’intérieur des terres (figure 3.5). La chaleur
spécifique élevée de l’eau tend également à stabiliser la température des océans, créant un environnement favorable à la
vie marine. L’eau, qui recouvre la majeure partie de la surface
de la Terre, permet en fait de maintenir la température des
continents et des océans dans des limites compatibles avec la
vie. De même, comme les organismes vivants se composent
principalement d’eau, ils résistent plus facilement aux variations de température que s’ils étaient constitués d’un liquide
possédant une chaleur spécifique plus faible.
Le refroidissement par évaporation
Dans tout liquide, les molécules demeurent groupées parce
qu’elles s’attirent mutuellement. Celles qui se déplacent assez
rapidement pour vaincre cette attraction peuvent s’échapper
du liquide et se mélanger à l’air sous forme de gaz. Ce passage
de l’état liquide à l’état gazeux s’appelle évaporation. Rappelezvous que la vitesse du mouvement moléculaire varie et que la
température constitue une mesure de l’énergie cinétique
moyenne des molécules. Même à une basse température, les
molécules les plus rapides peuvent s’échapper dans l’air. Il se
produit donc une évaporation quelle que soit la température ;
par exemple, l’eau contenue dans un verre placé à la température ambiante finit par s’évaporer complètement. Si l’on
chauffe un liquide, l’énergie cinétique moyenne des molécules
augmente et il se vaporise plus rapidement.
La chaleur d’évaporation est la quantité de chaleur
qu’il faut apporter, à une température constante, à 1 g de
liquide pour passer de l’état liquide à l’état gazeux. L’eau possède une chaleur d’évaporation plus élevée que la plupart des
autres liquides, pour les mêmes raisons qu’elle possède une
chaleur spécifique élevée. La vaporisation d’un gramme d’eau
à 25 °C exige 580 cal de chaleur, soit presque le double de la
quantité nécessaire pour vaporiser un gramme d’alcool ou
d’ammoniac. C’est la force des liaisons hydrogène qui donne à
l’eau une chaleur de vaporisation élevée ; cellesci doivent
être rompues avant que les molécules quittent le liquide.
La quantité élevée d’énergie nécessaire à l’évaporation de
l’eau a des conséquences très variées. À l’échelle planétaire,
cette chaleur d’évaporation élevée contribue à tempérer le climat de la Terre. Durant l’évaporation de l’eau de surface, une
quantité considérable de la chaleur solaire absorbée par les
mers tropicales est consommée et transférée à l’air. Puis, lors
de son déplacement vers les pôles, l’air tropical humide libère
cette chaleur en se condensant, et l’humidité retombe sous
forme de pluie ou de neige. Chez les organismes, la chaleur
d’évaporation élevée de l’eau explique la gravité des brûlures
causées par la vapeur, car celleci libère beaucoup d’énergie
calorifique quand elle se condense en liquide sur la peau.
Au cours de la vaporisation d’une substance, la surface du
liquide résiduel refroidit. Ce refroidissement par évaporation se produit parce que les molécules les plus « chaudes »,
celles qui possèdent l’énergie cinétique la plus grande, sont
les plus susceptibles de s’échapper sous forme de gaz. C’est
comme si on envoyait les cent coureurs les plus rapides
d’une école dans une autre ; la vitesse moyenne des élèves
qui restent diminuerait.
Le refroidissement par évaporation contribue à stabiliser la
température des lacs et des étangs. Il empêche également la
surchauffe des organismes terrestres. Par exemple, l’évaporation de l’eau des feuilles d’une plante empêche les tissus des
feuilles de devenir trop chauds au soleil. De même, par une
chaude journée ou lors d’un exercice intense, l’évaporation
de la sueur sur la peau d’une personne rafraîchit la surface
Riverside 35,6 °C
San Bernardino
37,8 °C
Burbank
32,2 °C
Santa Ana
28,9 °C
Palm Springs
41,1 °C
San Diego 22,2 °C
Los Angeles
(aéroport) 23,9 °C
Santa Barbara 22,8 °C
Océan Pacifique
20,0 °C
20-25 (°C)
26-30
31-35
36-40
65 km
m Figure 3.5 L’influence d’une grande étendue d’eau sur le climat.
En absorbant ou en libérant de la chaleur, les océans tempèrent les climats
côtiers. Dans l’exemple ci-dessus d’une journée en août dans le sud de
la Californie, l’océan relativement frais abaisse les températures côtières
en absorbant de la chaleur.
L’eau ayant une chaleur spécifique plus élevée que la plupart des autres substances (l’ammoniaque liquide est la seule
substance naturelle ayant une valeur plus élevée), sa température varie moins quand elle absorbe ou libère une certaine
quantité de chaleur. Par exemple, la raison pour laquelle vous
pouvez vous brûler les doigts sur la poignée métallique d’une
casserole alors que l’eau dans le contenant est encore tiède,
c’est que la chaleur spécifique de l’eau est dix fois plus élevée
que celle du fer : cela signifie qu’il faut apporter seulement
0,1 calorie pour augmenter de 1 °C la température de 1 g de
fer. Autrement dit, pour une même quantité de chaleur, la
température de 1 g de fer s’élève beaucoup plus vite que celle
de 1 g d’eau. On peut concevoir la chaleur spécifique d’une
substance comme une mesure de sa résistance aux changements de température quand elle absorbe ou libère de la
chaleur. L’eau résiste aux variations de température ; quand sa
température change, elle absorbe ou perd une quantité de chaleur relativement grande pour chaque degré de changement.
Comme pour bon nombre de ses propriétés, ce sont les
liaisons hydrogène de l’eau qui lui confèrent sa chaleur spécifique élevée. En effet, pour que cellesci se brisent, il faut
apporter de la chaleur ; inversement, il se produit un dégagement de chaleur lorsque ces liaisons se forment. Une quantité
de chaleur de 1 calorie provoque une variation relativement
petite de la température de l’eau. Ce phénomène s’explique
par le fait qu’une bonne partie de cette énergie thermique
sert à rompre les liaisons hydrogène avant que le reste fournisse aux molécules d’eau l’énergie nécessaire pour qu’elles se
mettent en mouvement et s’agitent plus intensément. De
plus, lorsque la température de l’eau baisse légèrement, beaucoup d’autres liaisons hydrogène se forment, libérant une
quantité considérable d’énergie sous forme de chaleur.
Quelle est l’importance de la chaleur spécifique élevée de
l’eau pour la vie sur la Terre ? Une grande étendue d’eau peut
absorber et emmagasiner une énorme quantité de chaleur
solaire durant le jour et au cours de l’été, tout en se réchauffant de quelques degrés seulement. La nuit et au cours de
l’hiver, elle se refroidit graduellement et peut réchauffer l’air.
C’est pourquoi le climat des régions côtières est généralement
plus doux qu’à l’intérieur des terres (figure 3.5). La chaleur
spécifique élevée de l’eau tend également à stabiliser la température des océans, créant un environnement favorable à la
vie marine. L’eau, qui recouvre la majeure partie de la surface
de la Terre, permet en fait de maintenir la température des
continents et des océans dans des limites compatibles avec la
vie. De même, comme les organismes vivants se composent
principalement d’eau, ils résistent plus facilement aux variations de température que s’ils étaient constitués d’un liquide
possédant une chaleur spécifique plus faible.
Le refroidissement par évaporation
Dans tout liquide, les molécules demeurent groupées parce
qu’elles s’attirent mutuellement. Celles qui se déplacent assez
rapidement pour vaincre cette attraction peuvent s’échapper
du liquide et se mélanger à l’air sous forme de gaz. Ce passage
de l’état liquide à l’état gazeux s’appelle évaporation. Rappelezvous que la vitesse du mouvement moléculaire varie et que la
température constitue une mesure de l’énergie cinétique
moyenne des molécules. Même à une basse température, les
molécules les plus rapides peuvent s’échapper dans l’air. Il se
produit donc une évaporation quelle que soit la température ;
par exemple, l’eau contenue dans un verre placé à la température ambiante finit par s’évaporer complètement. Si l’on
chauffe un liquide, l’énergie cinétique moyenne des molécules
augmente et il se vaporise plus rapidement.
La chaleur d’évaporation est la quantité de chaleur
qu’il faut apporter, à une température constante, à 1 g de
liquide pour passer de l’état liquide à l’état gazeux. L’eau possède une chaleur d’évaporation plus élevée que la plupart des
autres liquides, pour les mêmes raisons qu’elle possède une
chaleur spécifique élevée. La vaporisation d’un gramme d’eau
à 25 °C exige 580 cal de chaleur, soit presque le double de la
quantité nécessaire pour vaporiser un gramme d’alcool ou
d’ammoniac. C’est la force des liaisons hydrogène qui donne à
l’eau une chaleur de vaporisation élevée ; cellesci doivent
être rompues avant que les molécules quittent le liquide.
La quantité élevée d’énergie nécessaire à l’évaporation de
l’eau a des conséquences très variées. À l’échelle planétaire,
cette chaleur d’évaporation élevée contribue à tempérer le climat de la Terre. Durant l’évaporation de l’eau de surface, une
quantité considérable de la chaleur solaire absorbée par les
mers tropicales est consommée et transférée à l’air. Puis, lors
de son déplacement vers les pôles, l’air tropical humide libère
cette chaleur en se condensant, et l’humidité retombe sous
forme de pluie ou de neige. Chez les organismes, la chaleur
d’évaporation élevée de l’eau explique la gravité des brûlures
causées par la vapeur, car celleci libère beaucoup d’énergie
calorifique quand elle se condense en liquide sur la peau.
Au cours de la vaporisation d’une substance, la surface du
liquide résiduel refroidit. Ce refroidissement par évaporation se produit parce que les molécules les plus « chaudes »,
celles qui possèdent l’énergie cinétique la plus grande, sont
les plus susceptibles de s’échapper sous forme de gaz. C’est
comme si on envoyait les cent coureurs les plus rapides
d’une école dans une autre ; la vitesse moyenne des élèves
qui restent diminuerait.
Le refroidissement par évaporation contribue à stabiliser la
température des lacs et des étangs. Il empêche également la
surchauffe des organismes terrestres. Par exemple, l’évaporation de l’eau des feuilles d’une plante empêche les tissus des
feuilles de devenir trop chauds au soleil. De même, par une
chaude journée ou lors d’un exercice intense, l’évaporation
de la sueur sur la peau d’une personne rafraîchit la surface
Riverside 35,6 °C
San Bernardino
37,8 °C
Burbank
32,2 °C
Santa Ana
28,9 °C
Palm Springs
41,1 °C
San Diego 22,2 °C
Los Angeles
(aéroport) 23,9 °C
Santa Barbara 22,8 °C
Océan Pacifique
20,0 °C
20-25 (°C)
26-30
31-35
36-40
65 km
m Figure 3.5 L’influence d’une grande étendue d’eau sur le climat.
En absorbant ou en libérant de la chaleur, les océans tempèrent les climats
côtiers. Dans l’exemple ci-dessus d’une journée en août dans le sud de
la Californie, l’océan relativement frais abaisse les températures côtières
en absorbant de la chaleur.