La masse volumique de l'eau (H₂O) dépend de nombreux facteurs, parmi lesquels la teneur en sel de l'eau, les éléments chimiques et les gaz dissous qu'elle contient, la présence ou non de glace, la température de l'eau ou l'humidité relative absolue.
La densité de l’eau est importante car elle détermine le poids d’un volume d’eau donné. Plus la densité est élevée, plus le poids est élevé.
La masse volumique de l'eau est définie comme la masse d'eau contenue dans un volume spécifique. En termes mathématiques, cela s'exprime comme suit :
Densité = volume / masse
L'unité standard de densité dans le système international est le kilogramme par mètre cube (kg/m³), bien que le gramme par centimètre cube (g/cm³) soit également utilisé dans certains contextes.
Pour l'eau, la densité est d'environ 1 000 kg/m³ à température ambiante (20°C) et pression atmosphérique normale (1 atm). Cela signifie qu'un litre d'eau a une masse d'environ 1 000 grammes, soit 1 kilogramme.
Masse volumique de l'eau pure
La masse volumique de l'eau pure (distillée) est de 1 gramme par centimètre cube à 4 degrés Celsius, soit 1 kg/l. Cela signifie qu’il y a un kilogramme d’eau pour chaque décimètre cube (litre) d’espace qu’elle occupe.
L'eau a sa densité maximale à 4 degrés Celsius. À partir de cette température, l’eau se dilate, augmentant la température et refroidissant jusqu’à zéro degré Celsius. Au point de congélation de l’eau (zéro degré Celsius), sa densité est de 0,99980 kg/l. Une fois gelée, la densité descend jusqu'à la densité de la glace : 0,9168 kg/l.
Masse volumique de l'eau de mer
La masse volumique de l'eau de mer avec un indice de salinité de 35 pour mille est de 1,0267 kg/l.
L'eau de mer est un mélange d'eau et de sels minéraux, sa densité varie donc en fonction de la quantité de sels minéraux présents et de la température. En général, l’eau de mer a une densité plus élevée que l’eau douce en raison de la présence de ces minéraux.
Comme nous l’avons vu, lorsque l’eau est inférieure à quatre degrés Celsius, la densité diminue. Cette propriété signifie que lorsque l’eau est proche de son point de congélation, elle se retrouve dans les couches d’eau de surface des océans, des lacs, etc. rendant possible la vie aquatique dans les couches inférieures.
Tableau des densités des différents types d'eau
Le tableau suivant montre la densité de différents types d'eau à des températures et pressions standard.
La masse volumique peut varier légèrement en fonction des conditions spécifiques, mais ces valeurs sont approximatives et se réfèrent à de l'eau dans des conditions normales :
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Type d'eau |
Masse volumique (kg/m³) |
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Eau pure (à 20°C) |
998.2 |
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Eau de mer |
Environ 1025 |
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Eau distillée |
1000 |
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Eau salée |
Environ 1020 |
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Eau à 0°C (glace) |
917 |
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Eau à 100°C (vapeur) |
0,6 (à 100°C et 1 atmosphère) |
La masse volumique de l'eau de mer varie légèrement en fonction de la situation géographique et de la salinité spécifique de l'eau. La densité de l'eau douce, comme l'eau distillée, peut également varier en fonction de sa pureté et des impuretés dissoutes. Enfin, la densité de la glace est inférieure à celle de l’eau liquide en raison de l’expansion qu’elle subit lorsqu’elle gèle.
Facteurs qui influencent la masse volumique de l'eau
La densité dépend principalement de deux facteurs : la température et la pression
Variation avec la température
Une caractéristique intéressante de l’eau est que sa densité varie avec la température. À des températures plus basses, l’eau est plus dense, tandis qu’à des températures plus élevées, elle devient moins dense. Cela a des implications importantes pour la nature et la vie quotidienne.
A 4°C, l'eau atteint sa densité maximale, qui est d'environ 1000 kg/m³. À cette température, les molécules d’eau sont organisées plus efficacement, ce qui entraîne une densité plus élevée.
À des températures plus basses, les molécules d’eau commencent à former des structures de glace, se dilatant et diminuant leur densité. À des températures plus élevées, les molécules ont plus d’énergie cinétique et s’écartent, ce qui diminue la densité de l’eau.
Variation avec la pression
La masse volumique de l'eau est également influencée par la pression. Plus la pression augmente, plus la densité augmente. Cela est particulièrement évident dans les profondeurs océaniques, où la pression est beaucoup plus élevée qu’à la surface.
Dans l’océan, la densité augmente à mesure que l’on s’enfonce dans les profondeurs. Cela est dû à la compression des molécules d'eau sous l'influence de la pression. La pression au fond de l’océan peut être des milliers de fois supérieure à la pression à la surface, ce qui entraîne une densité nettement plus élevée en profondeur.
La relation entre la densité de l’eau et la pression est importante en océanographie et dans la compréhension de la circulation océanique. La différence de densité entre les masses d'eau joue un rôle crucial dans la formation des courants océaniques et le mélange des nutriments dans les océans.
Importance de la densité de l'eau
Voici quelques-unes des raisons pour lesquelles la densité de l’eau est importante :
Vie quotidienne
La densité de l'eau est essentielle à la flottabilité des objets et des navires dans l'eau. Le principe d'Archimède repose sur la différence de densité entre un objet et l'eau, qui permet aux objets plus légers de flotter et aux objets plus denses de couler.
Écologie
La variation de la densité de l'eau de mer avec la profondeur et la température affecte la répartition des organismes marins.
La vie marine se trouve souvent dans des couches d’eau spécifiques dont la densité est adaptée à sa survie.
Science
Dans le domaine de l'océanographie, cette propriété est cruciale pour l'étude de la circulation océanique et de la formation des masses d'eau. Les différences de densité jouent un rôle essentiel dans la formation des courants océaniques et le mélange des nutriments dans les océans.
En revanche, en météorologie, la densité de la vapeur d’eau est essentielle à la formation des nuages et aux précipitations. Cette variation de la vapeur d’eau dans l’atmosphère influence les régimes climatiques et météorologiques.
Industrie
Voici quelques exemples de son importance dans l’industrie :
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Centrales nucléaires : dans l'industrie nucléaire, il joue un rôle important dans le refroidissement des réacteurs nucléaires. L'eau agit comme un liquide de refroidissement et un modérateur, transférant la chaleur du cœur du réacteur et ralentissant les neutrons pour maintenir la réaction nucléaire sous contrôle.
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Industrie alimentaire : La densité de l’eau joue un rôle crucial dans la formulation et la production des aliments, notamment pour déterminer la concentration des solutions et la qualité des produits.
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Industrie pétrolière et gazière : Dans ce secteur, elle est essentielle pour l'évaluation et le contrôle des fluides dans les puits de forage, garantissant la sécurité dans l'exploration et la production de pétrole et de gaz.
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Génie des procédés et chimie : Dans les domaines liés au génie des procédés et à la chimie, la densité de l’eau est largement utilisée pour calculer les masses de substances et contrôler les réactions chimiques dans diverses applications industrielles.
Écologie et conservation
Dans le domaine de l'écologie, il est important pour la conservation des écosystèmes aquatiques, car il peut affecter la capacité des plans d'eau à supporter la vie et à maintenir l'équilibre écologique.