Questions aux experts

Bonjour,

Je vais tenter de vous éclairer rapidement en vous proposant une complication à votre expérience.

Connaissez-vous la surfusion ? Vous avez peut-être expérimenté vous-même une fine pellicule d'eau liquide sur votre pare-brise par un grand froid (imaginons des temépratures négatives) : ce n'est que lorsque vous avez tenté de l'essuyer qu'elle a instantanément gelé en masse !

Voilà un cas particulier qui contredit vos expériences : on peut observer de l'eau liquide à moins de 0°c.

Dans ces deux cas, que se passe-t-il ? dans l'eau très pure (libre d'impuretés), il se peut que l'énergie libérée par la solidifaction de l'eau (car de même qu'il faut chauffer -donc donner de l'énergie- pour faire fondre ou bouillir l'eau, il faut en prendre -donc perdre de l'énergie- pour la condenser ou la solidifer) ne compense pas la tension de surface à l'interface entre le liquide et le solide. (On peut illustrer l'énergie de cette tension de surface en faisant flotter un trombone dans un verre d'eau, alors que "normalement" on s'attendrait à le voir couler puisqu'il est plus dense que l'eau) L'eau reste donc liquide, dans un état métastable, qui n'attend que la moindre perturbation (un flocon de neige, ou votre racloir sur le pare-brise) pour retomber dans l'état stable (l'état "normal" dans le langage courant), ici l'état solide.

D'un point de vue théorique, j'imagine qu'on pourrait aussi dire qu'à 0°C exactement, eau solide et eau liquide (et vapeur d'eau!) coexistent en permanence, avec des rapports dépendant de la pression atmosphérique, des impuretés, des mouvements du milieu... et qu'il est difficile de s'assurer avec un thermomètre du commerce que nous sommes bien à 0,0°c, vous êtes peut-être juste au-dessus, ou juste en-dessous.

Je vous encourage également à lire les réponses faites à votre collègue sur le point de fusion exact de l'eau.

Bien cordialement,

Bonjour,

En effet, au delà du phénomène de surfusion qui illustre bien ce que vous observez il faut savoir que dans ce type d'expérience il y a énormément de déperdition de chaleur avec le milieu extérieur, ce qui fait que les mesures sont toujours un peu faussées.
De plus, les changement d'état se font à paliers de température constants c'est à dire qu'à 0°C l'eau ne passe pas instantanément à l'état solide. D'où souvent l’intérêt de descendre un peu plus bas pour accélérer l'opération et, en effet, contourner le phénomène de surfusion

Cordialement

Bonjour,
En complément à la réponse déjà donnée, on peut noter qu'à pression atmosphérique et à la température de 0°C, à la fois la glace et l'eau liquide sont dans un état stable (coexistent). Il n'y a donc aucune contradiction dans votre expérience. Rien n'impose à l'eau de quitter son état liquide à cette température.
En revanche, si la température devient inférieure à 0°C, cet état liquide n'est plus stable et doit disparaître, sauf phénomène de surfusion possible.
Bien cordialement
Anne Henriet

Bonjour,
Vos observations sont parfaitement correctes. En se réchauffant, les cristaux de glace fondent exactement à 0°C. En revanche, lorsqu'un liquide est refroidi à sa température de fusion, la formation du cristal est possible, mais ne se produit pas nécessairement à cette température. Et de l'eau liquide est observé à 0°C et même légèrement en-dessous. On parle alors de surfusion. Comment expliquer cela simplement à un jeune élève ?
Il faut d'abord décrire l'eau liquide comme un milieu désordonné. L'état de la glace comme un milieu ordonné, les molécules d'eau sont bien rangées. En refroidissant de l'eau liquide à 0°C, on demande aux molécules d'eau de bien se ranger. Et l'ordre peut être difficile à obtenir à cette température en l'absence de germes dans l'eau (cas d'une eau pure). En effet, il faut savoir que la formation d'un cristal commence habituellement autour d'un solide déjà cristallisé (le germe)au contact du liquide. En d'autre terme, il faut déjà un peu d'ordre pour obtenir de l'ordre. Si le "un peu d'ordre" n'est pas déjà là alors l'eau peut rester liquide. Cependant, on peut obtenir que quelques molécules d'eau s'ordonnent de manière spontanée (germination homogène) si l'eau est refroidie en dessous de 0°C (cas de mélange réfrigérant). Vous pouvez retrouver tout cela à l'adresse suivante : http://www.scienceinschool.org/2010/issue17/supercooling/french
Finalement, obtenir du désordre pose "moins de problème" que d'obtenir de l'ordre.
En espérant que cela vous aide.
Marie-Thérèse Lehoucq.

Pour compléter la réponse de Mathieu.
Votre problème est tout à fait bien posé et pertinent. Je me suis posé cette question à mes débuts d'enseignement à l'IUFM il y a plus de quinze ans alors qu'elle ne s'était jamais posée auparavant dans mes cours de thermodynamique au lycée.
Voici un élément de réponse de bon sens : pour changer l'état de l'eau liquide à 0°C, il faut qu'elle puisse donner de la chaleur (ou énergie) à l'extérieur. Or les échanges de chaleur ne s'effectuent qu'entre des corps qui se trouvent à des températures différentes, ce qui n'est pas le cas dans votre situation. L'eau liquide ne peut changer d'état.
Par contre avec le mélange réfrigérant (1/3 sel 2/3 glace pilée) qui se trouve à -20°c facilement, l'échange de chaleur est "violent" et il n'est pas rare (1 fois sur deux parmi mes étudiants de l'ESPE) que l'eau liquide (même du robinet et dans un tube plastique ordinaire) passe en surfusion et se trouve à -8 ou -10°C. Une agitation régulière de la sonde du thermomètre évite ce phénomène.

Que se passe-t-il lorsqu’on chauffe de la glace prise à -20°C ? La chaleur qu’elle reçoit fait augmenter son "énergie interne", ce qui se traduit par une plus grande agitation des molécules d’eau qui constituent la glace (mouvement de vibration autour de leur position moyenne) et la température de glace, qui est un reflet de cette agitation, augmente.
A partir d’une certaine température : 0°C, l’agitation est telle que les liaisons qui maintiennent l’organisation des molécules d’eau en solide est détruite : l’eau commence à fondre. Si on apporte encore de la chaleur, la glace restante ne va pas augmenter de température, mais davantage de glace va fondre. La température va donc se maintenir à une valeur de 0°C tant qu’il reste de la glace, alors qu’on apporte de la chaleur.
Le même phénomène est observable à l’ébullition. Il ne suffit pas de porter une casserole d’eau à 100°C puis de l’isoler parfaitement pour que l’eau disparaisse en se volatilisant : il faut continuer à chauffer en laissant la casserole sur le feu.

Inversement, il ne suffit pas d’abaisser la température de l’eau liquide à 0°C pour la transformer en glace. C’est nécessaire, pour que l’agitation des molécules dans l’eau soit suffisamment faible pour qu’elle puisse s’associer en cristaux de glace, mais ça n’est pas suffisant, car à l’inverse de ce qui de passe à la fusion, la formation du solide dégage de la chaleur. Pour avoir une formation substantielle de glace, il faut donc descendre à 0°C ET absorber de la chaleur, ce que fera facilement une machine comme un réfrigérateur ou une substance très froide telle qu’un mélange réfrigérant. Evidemment, de l’eau liquide à 0°C ne peut pas absorber de la chaleur venant d’eau liquide à une température supérieure ou égale à 0°C…

Dans le cas de l’eau surfondue (cas du pare-brise invoqué par M. Hirtzig), c’est le pare–brise lui-même très froid qui va absorber la chaleur libérée par la formation de la glace. Dans ce cas et comme l’a expliqué Mathieu, l’eau liquide peut descendre à une température inférieure à 0°C. Les interactions que les molécules entretiennent avec les surface de verre (et aussi, dans une certaine mesure avec le surface de l’air : le film d’eau a deux faces) leur permettent de ne pas se « ranger » à l’état solide, comme elle devrait l’être quand elles sont si peu agitées à partir et en dessous de 0°C.

Bonjour

En plus du changement de la température de l'eau contenue dans le tube, vous souhaitez ici mettre en oeuvre le changement d'état de l'eau liquide en glace. Ce changement physique est source d'échanges d'énergie importants : quand on met un glaçon dans sa main, le glaçon se met à fondre et une sensation de froid intense envahit la main car l'énergie nécessaire au changement d'état, de la glace à l'eau liquide, est puisé dans la main. Ici, c'est l'eau contenue dans le tube à essai qui, pour se transformer en glace, doit "se débarrasser" d'une partie de son énergie (les molécules bougent beaucoup dans un liquide, beaucoup moins dans la glace, on pourrait comparer l'énergie libérée par l'eau liquide par cette différence de mouvement des molécules !). Or, autour du tube à essai, il y a un grand volume d'eau+glace à 0°C. Pour simplifier, on peut dire que l'eau liquide du tube à essai n'est pas assez "forte" pour donner de l'énergie au mélange extérieur (donc le chauffer), ce mélange étant déjà en équilibre de température !
C'est pourquoi un mélange réfrigérant à température plus basse que 0°C est nécessaire pour faire transformer l'eau liquide en glace...
Tout ceci est peut-être compliqué à expliquer aux élèves, mais il faut bien leur dire que modifier la température en restant dans le même état physique est très différent d'un changement d'état...

Bon courage

Bonjour,

Vous avez trouvé avec vos élèves une excellente méthode pour obtenir de l'eau liquide à 0°C !

Rappelons un résultat de base : deux corps ou milieux en contact et de températures différentes échangent de la chaleur (de l'énergie thermique) tel que le corps/milieu le plus chaud cède de l'énergie à celui le plus froid. Le corps chaud se refroidit, le corps froid se réchauffe et tendent tous deux vers une température d'équilibre.

Dans votre expérience, vous mettez en contact un peu d'eau liquide à la température ambiance (disons 20°C) avec beaucoup de glace à 0°C. Comme on s'y attend, l'eau va se refroidir (perdre de l'énergie ou de la chaleur, comme vous préférez) sans vraiment affecter la température de glace vu les quantités respectives, et atteindre progressivement la température de son environnement : 0°C. Notons que l'expérience équivalente "dans l'autre sens" donnerait un résultat équivalent : sortez de la glace d'un congélateur à disons -30°C, mettez-là dans une environnement à 0°C, vous obtiendrez de la glace à 0°C, pas de l'eau liquide à 0°C.

Pourquoi ? Quel est finalement la différence entre de l'eau liquide à 0°C et de la glace d'eau à 0°C ? Cette différence s'appelle comme déjà évoqué la chaleur latente de fusion, c'est à dire l'énergie nécessaire à faire fondre la glace d'eau à 0°C pour obtenir de l'eau liquide à 0°C. Cette énergie est nécessaire pour effectuer le changement d'état, autrement dit, briser la structure cristalline de la glace.

Dans votre expérience, il faudrait retirer cette énergie à l'eau à liquide à 0°C pour obtenir de la glace or aucun échange d'énergie ne se produit puisque l'eau et son environnement sont à la même température ! Le phénomène de surfusion n'est pas nécessaire pour expliquer vos résultats : il explique uniquement le fait que l'eau reste liquide en dessous de 0°C.

Finalement, pour obtenir de la glace, il faut une température ambiance inférieure à 0°C pour continuer à retirer de l'énergie à l'eau liquide à 0°C. Mais ce n'est pas une condition suffisante ; on l'a dit : l'eau peut rester liquide en dessous de 0°C et là intervient le phénomène de surfusion.

Il ne faut pas oublier que pour qu' il y ait solidification il faut que de l'énergie soit cédée par l'eau à l'environnement. Si l'écart de température est insuffisant cet échange sera extrêmement lent voire même inexistant s'il y a identité des températures

Je pense que c'est Loic Poullain qui a le premier donné la réponse véritablement pertinente : passer de liquide à solide nécessite d'enlever de la chaleur, or les transferts de chaleur ne se font qu'entre corps de températures différentes. Cette expérience est aussi un bon moyen pour aborder la distinction entre chaleur et température, qui est souvent très problématique pour beaucoup de personnes : pour transformer de d'eau liquide en glace, il faut lui enlever de la chaleur, mais cela ne modifie pas sa température.