Questions to the experts
Matière et matériaux
La température de fusion de l'eau dépend-elle de la pression ?
Je suis enseignant spécialisé à l'hôpital. Une question me tarabuste depuis déjà quelques jours. Je n'en dors plus : S.O.S. ! La température d'ébullition de l'eau dépend de l'altitude puisqu'elle dépend de la pression, aussi la température de solidification de l'eau devrait-elle logiquement dépendre de l'altitude ? Or tout m'indique que l'eau gèle invariablement à 0 °C si elle est pure... Quels sont donc les principes de base qui régissent les transformations de l'eau en fonction de la pression ?
C'est une même loi qui régit tous les changements d'état en fonction de la température. Dans les livres de physique, on la trouve sous le nom "Clausius-Clapeyron" (vive l'amitié germano-française !).
Cependant, ses effets sont moins perceptibles lors de la solidification que lors de la vaporisation. Ainsi, c'est une pression égale à plusieurs dizaines de fois la pression atmosphérique qui correspond à une température de congélation de -1 °C !
Dans la gamme de pressions que nous pouvons rencontrer à la surface de la Terre, la température de congélation de l'eau semble constante.
A noter: le comportement particulier de l'eau qui voit sa température de solidification diminuer lorsque la pression augmente. C'est le contraire avec presque tous les autres corps purs. Ce comportement particulier se retrouve dans le fait que le volume d'une masse de glace à 0 °C est supérieur au volume de la même masse d'eau (liquide) à 0 °C.
La température d'ébullition de l'eau est sensible à la pression car l'un des deux constituants impliqués (la vapeur en l'occurrence) est un gaz, dont la production s'accompagne d'une grande variation de volume.
En revanche, lorsque l'on passe de la glace à l'eau, le volume varie peu; l'effet de la pression est donc beaucoup plus faible.
L'ébullition correspond au passage de l'eau liquide à l'état gazeux. La chaleur, fournie par chauffage, donne aux molécules d'eau assez d'énergie pour leur permettre d'échapper aux interactions qui les relient entre elles. L'eau vapeur s'éloignera d'autant plus facilement du voisinage de l'eau liquide que sa pression au-dessus du liquide sera plus faible (au voisinage de l'eau à l'ébullition, la phase gazeuse est pratiquement uniquement constituée d'eau vapeur, et on peut considérer qu'il y existe un équilibre à l'interface eau-liquide, équilibre qui dépend de la pression de la phase gazeuse).
Lorsque la pression du gaz au-dessus du liquide diminue, il est plus aisé pour les molécules d'eau de quitter le liquide et la température nécessaire pour leur communiquer l'énergie cinétique requise est plus faible, d'où une température d'ébullition plus faible.
La fonte de la glace ou la solidification de l'eau, correspondent à un équilibre entre l'eau liquide et l'eau solide. Dans ce cas, la pression ne peut avoir que peu d'influence sur le phénomène car elle n'a pas d'influence sur le solide ni sur le liquide qui sont quasi-incompressibles. L'altitude n'a donc pas d'effet sur la température de solidification de l'eau.
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La température de fusion de la glace (passage de l'état solide à l'état liquide) dépend de la pression atmosphérique, mais très faiblement. Il faut des variations de pression énormes pour faire varier la température de fusion de quelques degrés. En laboratoire, on parvient à "déplacer" cette transition glace-eau à -20°C ou à +90°C ! Bizarrement, lorsqu'on augmente la pression, cette température baisse d'abord, puis augmente ensuite : l'eau est un liquide très courant, mais pas simple à étudier !
La transition liquide-gaz est beaucoup plus sensible à la pression que la transition solide-liquide.