Voici le résultat : l’eau ne se mélange pas de la même façon dans les deux configurations. A gauche, quand l’eau chaude est au-dessus, le rouge et le bleu se mélangent très peu, tandis qu’à droite, quand l’eau froide est au-dessus, ils se mélangent très bien pour créer une eau d’une couleur mauve et de température uniforme.

Pourquoi ?

Comme tes quatre verres sont identiques, ils ont le même volume. Cela ne veut pas dire qu’ils contiennent la même quantité de molécules d’eau ! En fait, lorsque la température augmente à l’intérieur d’un matériau, les molécules qui le composent s’agitent de plus en plus et ainsi elles occupent plus de place. Dans un volume d’eau chaude, il y a donc moins de molécules que dans un volume identique d’eau froide.

C’est la densité qui change et, plus précisément, la masse volumique.

La masse volumique ρ (rhô) est le rapport entre la masse des molécules (m) qui constituent un corps et le volume occupé par ces molécules (V) : ρ=m/V, tandis que la densité est le rapport entre cette masse volumique et la masse volumique d’un corps de référence  ρ/ρ_réf . Pour les liquides, la référence est l’eau pure à 4 °C. 

L’eau froide est ainsi plus « lourde » (a une masse volumique et donc une densité plus grande) que l’eau chaude. Par conséquent, quand elle se retrouve au-dessus de l’eau chaude, elle plonge au fond du verre du dessous et le tout se mélange. A l’inverse, quand l’eau chaude, plus « légère », se retrouve au-dessus, elle flotte sur l’eau froide. Elle ne se mélange pas immédiatement, ou très peu. Par contre, elle le fera quand les écarts de température entre les deux verres seront moins grands.

La densité ne dépend pas uniquement de la température. Tu peux refaire la même expérience en utilisant de l’eau plus ou moins salée ou plus ou moins sucrée. La présence du sel ou du sucre va augmenter la masse de l’eau, donc la masse volumique.

Pour aller plus loin

D’une manière générale, la densité d’un corps liquide augmente quand sa température diminue et devient maximale à la température de solidification. De plus, un corps à l’état solide est généralement plus dense qu’à l’état liquide.

L’eau est une exception ! Non seulement la glace est moins dense que l’eau (la glace flotte sur l’eau), mais la densité maximale de l’eau est atteinte non pas à 0 °C (sa température de solidification) mais à 3,98 °C. L’eau à 3,98°C se trouvera donc toujours au fond, même sous de l’eau à 3°C, 2°C ou 1 °C par exemple !