La marmite qui met trop de temps à bouillir
Dans un centre de santé de Gitega, une infirmière chauffe 3 litres d'eau sur un réchaud à charbon pour stériliser des instruments. L'eau commence à 22 °C. Après 10 minutes, un thermomètre plongé dans l'eau indique 62 °C. La pression atmosphérique locale est normale. L'infirmière observe que la flamme est faible et que le couvercle de la marmite est resté ouvert. Un aide-soignant affirme qu'en fermant le couvercle, l'eau bouillira plus vite et atteindra une température supérieure à 100 °C. Il propose aussi d'ajouter une poignée de sel « pour accélérer l'ébullition ». Le médecin exige que les instruments soient exposés à l'eau bouillante pendant au moins 15 minutes.
1. Expliquez, à l'aide des changements d'état et de la chaleur, pourquoi le couvercle fermé réduit le temps de chauffage. L'affirmation selon laquelle l'eau dépassera 100 °C est-elle correcte ?
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Le chauffage fournit de l'énergie thermique à l'eau : sa température augmente (chaleur sensible) jusqu'à 100 °C, puis l'énergie sert à la vaporisation (chaleur latente) sans que la température monte.
Couvercle ouvert : une partie de la vapeur s'échappe et emporte de la chaleur ; l'air froid entre et refroidit la surface. Couvercle fermé : la vapeur reste piégée, les pertes thermiques diminuent, donc l'eau atteint 100 °C plus vite.
En revanche, à pression atmosphérique normale, l'eau bout à 100 °C et ne dépasse pas cette température tant qu'elle bout : l'affirmation de l'aide-soignant est fausse. Pour dépasser 100 °C, il faudrait augmenter la pression (autoclave), ce qui n'est pas le cas d'une marmite ordinaire.
2. À partir des données (3 L d'eau, de 22 °C à 62 °C en 10 min), estimez le temps nécessaire pour atteindre 100 °C si le chauffage reste régulier. Le sel accélère-t-il vraiment l'ébullition ?
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Élévation observée : 62 − 22 = 40 °C en 10 min, soit 4 °C par minute (en supposant un chauffage régulier).
Élévation restante : 100 − 62 = 38 °C. Temps estimé : 38 ÷ 4 = 9,5 minutes supplémentaires, donc environ 19,5 minutes au total. Il faut ensuite ajouter les 15 minutes d'ébullition exigées par le médecin : prévoir au moins 35 minutes.
Le sel : il élève légèrement la température d'ébullition (effet de la dissolution) et ne l'abaisse pas ; il ne « accélère » donc pas l'ébullition. De plus, l'eau salée peut corroder les instruments. Il vaut mieux fermer le couvercle et activer la flamme.