L’an dernier à la même époque, je vous avait présenté un billet tout estival, consacré au trouble du pastis et à la physico-chimie qui se cache derrière. Comme ce billet reste à ce jour l’un des plus lus de ce blog, j’ai décidé d’exploiter le filon de l’apéro et de vous parler des glaçons.
La question du jour : pourquoi est-ce que les glaçons refroidissent votre boisson ? La réponse paraît simple, c’est parce qu’ils sont froids ! … Eh bien non, pas vraiment ! Alors voyons en détail ce qu’il se passe dans votre verre quand vous y glissez des cubes de glace.
La capacité calorifique
Pour comprendre le phénomène, nous allons imaginer une situation concrète : vous sortez 3 glaçons de votre congélateur, et vous les mettez dans votre verre de pastis (de mojito ou de coca, peu importe !) Quelle quantité de froid ces glaçons vont-ils produire ?
Tout d’abord, il faut se rappeler que la chaleur, c’est de l’énergie. Donc produire du froid, c’est la même chose que d’absorber de l’énergie : les glaçons vont prendre de l’énergie au pastis, et celui-ci va donc se refroidir.
L’énergie, ça se mesure en Joules. Et pour calculer la quantité d’énergie qu’un matériau peut absorber sous forme de chaleur, on utilise ce qu’on appelle sa capacité calorifique. La capacité calorifique de la glace est de 2.1 Joules par gramme et par degré. Cela veut dire que si nos 3 glaçons pèsent 10 grammes et sont initialement à -18°C (température de sortie du congélateur), la quantité d’énergie qu’ils vont absorber en se réchauffant jusqu’à 0°C est égale à
2.1 x (10 grammes) x (18°C) = 378 Joules
Voici donc la capacité de refroidissement de nos glaçons : le temps qu’ils passent de -18°C à 0°C, ils vont prendre 378 Joules à votre pastis. Cependant, à ce stade, il apparaît quelque chose de plus : les glaçons se mettent à fondre…
La chaleur latente de fusion
On sait que pour que la glace fonde, il faut qu’elle atteigne 0°C. On peut s’imaginer que la fonte est un phénomène automatique dès que l’on se trouve à cette température, mais il n’en est rien ! Une fois que nos glaçons sont à 0°C, pour qu’ils fondent il faut encore leur fournir de l’énergie : la fusion n’est pas gratuite, elle consomme de l’énergie !
Pour quantifier l’énergie nécessaire à la fusion d’un corps, on utilise une quantité appelée chaleur latente de fusion. Dans le cas de la glace, la chaleur latente de fusion vaut 330 Joules par gramme. Cela signifie que pour faire fondre nos 3 glaçons pesant 10 grammes, il faut fournir
330 x (10 grammes) = 3 300 Joules
Une fois cette énergie fournie, les glaçons sont fondus, et se sont transformés en eau liquide, laquelle possède toujours une température de 0°C. C’est ce point qu’il est important de comprendre : quand les glaçons fondent et se transforment en liquide, ils absorbent de l’énergie pour se transformer, mais leur température n’augmente pas.
Comme vous pouvez le constater, l’énergie absorbée (et donc le froid produit) lors de la fusion est presque 10 fois plus importante que celle absorbée quand la température du glaçon passe de -18°C à 0°C.
Morale de l’histoire : si les glaçons refroidissent, ça n’est pas parce qu’ils sont froids, c’est surtout parce qu’ils fondent ! C’est la fusion qui produit le plus de froid. Conséquence de cela, un glaçon à -18°C ne refroidit pas tellement plus qu’un glaçon à -1°C. L’apport supplémentaire de froid du fait d’être à – 18°C est négligeable.
Autre conséquence : puisque c’est la fonte qui libère le plus de froid, à masse égale un glaçon en glace qui fond va refroidir bien mieux qu’un glaçon en pierre qui ne fond pas !
Pour aller plus loin : la capacité calorifique massique
J’ai donné la valeur de la capacité calorifique massique de la glace : 2100 Joules par kilogramme et par degré. J’ai eu l’occasion d’étudier pas mal de propriétés physiques de pas mal de matériaux, et pour moi la capacité calorifique est vraiment à part : c’est peut-être la propriété que je connaisse qui varie le moins d’un matériau à l’autre. Pour autant que je sache le maximum est pour l’eau liquide à 4200 J/kg/K (ah non en fait Wikipédia me dit 4700 pour l’ammoniac), et le minimum autour de 150 pour certains métaux. Il s’agit donc d’une propriété physique qui varie au pire d’un facteur 30 ou 40, que l’on parle de gaz, de solide ou liquide.
La situation est très différente avec des quantités comme la conductivité thermique ou les propriétés mécaniques, qui peuvent sans problèmes varier sur plusieurs ordres de grandeur (le graphène à une conductivité thermique 200 000 fois plus élevée que celle de l’air, la conductivité électrique varie sur 30 ordres de grandeur entre l’argent et certains polymères) . Quelqu’un connaitrait une propriété qui varie encore moins que la capacité calorifique ?
Comments
Excellent article, tres plaisant a lire.
J’ai toutefois un doute: l’article semble indiquer que le processus est realise en deux etapes:
1 – la totalite du glacon solide passe de -18*C a 0*C
puis
2 – la totalite du glacon passe de l’etat solide a l’etat liquide, le tout en restant a 0*C
Si cette version ressemble au comportement theorique d’un corps pur tel qu’il m’avait ete enseigne par mon vieux prof de physique de prepa, il me semble qu’elle est contredite par l’observation du monde reel, les bords du glacon se liquefiant avant que le coeur du glacon n’atteigne 0*C.
Me trompe-je ?
(Desole pour les accents, clavier QWERTY)
L’ordre dans lequel ça arrive n’a que peu d’importance.
Ce que veux (je crois) montrer l’article, c’est que c’est principalement le changement d’état du glaçon (liquide vers solide) qui baisse la température du breuvage, et très peu le fait que le glaçon soit froid (même si son état solide est du au fait qu’il soit froid, mais ne nous arrêtons pas aux détails).
Même si les deux processus ont lieu en parallèle (la montée de température et la fonte), la totalité de l’énergie absorbée par la montée de température du glaçon ne représente que 10% de l’énergie consommée lors du changement d’état.
TD;DR: Le fait que ces deux étapes aient lieu en même temps ne change rien à leur consommation respective d’énergie.
Si je ne me trompe, au niveau atomique, le passage de -18°C à 0°C n’est que l’augmentation de l’agitation des atomes. La structure de la glace reste donc cristalline jusqu’à la transition de phase où là l’agitation devient assez extrême pour provoquer le changement moléculaire ce qui explique l’énergie plus importante utilisée.
Oui c’est ça, et c’est donc finalement assez logique que la chaleur latente de fusion soit plus élevée que la chaleur spécifique sur une grande gamme de température.
Pour avoir un indicateur, on pourrait calculer le ratio
L/c = 330/2.1 = 157 K
Ca veut dire que la fusion représente l’équivalent de 157 degrés de froid ! Il faudrait calculer cette valeur pour d’autres substances, mais j’imagine que c’est souvent élevé (ça doit dépendre bien sûr de la force des liaisons…)
Oui je schématise en séparant en 2 étapes, ce qui revient à supposer que le système est partout et tout le temps à l’équilibre. Dans une vraie situation, on est en état hors-équilibre, la température dans le verre est inhomogène et donc il peut y avoir des endroits où la transition de phase commence alors que le coeur du glaçon est toujours en dessous de 0°C.
même à température homogène de l’eau autour du glaçon, il faudrait calculer un nombre de Biot pour le glaçon solide, traiter le problème de conduction instationnaire et suivre le front de changement de phase… quoiqu’il arrive, au niveau local, on a bien apport de chaleur faisant jouer la chaleur sensible et ensuite changement de phase faisant intervenir la chaleur latente…
la magie de la thermo, c’est que seules les variations de variables d’état sont importantes… en gros, c’est la variation d’enthalpie entre l’état (solide à -18°C) et l’état (liquide à 0°C) qui importe DH = Qtotale… le chemin entre les deux peut bien se faire à la fois par augmentation de température via le Cp ou la chaleur latente de manière simultanée ou théoriquement via le Cp Qcs d’abord et la chaleur latente Qcl ensuite… avec Qcs+Qcl=Qtotale
Il me semblait qu’on ne parlait plus de chaleur latente, mais d’enthalpie latente, mais je n’étais pas forcément très attentif en cours de thermo.
Je m’intéresse beaucoup à la glace, parce que j’ai un blog sur le cocktail. Je m’étais déjà un peu renseigné sur ces questions-là, notamment sur le fait que c’est le changement d’état qui permet de refroidir plus vite le cocktail, plus que le contact avec la glace, et encore moins la dilution avec l’eau issue de la fonte du glaçon.
En effet, si c’était cette dilution qui refroidissait le cocktail, on ne pourrait pas descendre en dessous de 0°C. Or on observe des températures dans le shaker de l’ordre de -5°C, justement à cause de ce changement d’état, et aussi parce que le point de fusion de l’alcool est plus bas que celui de l’eau.
Il me reste cependant un point à éclaircir avant d’écrire un article complet sur mon blog (qui citera bien entendu cet excellent article) :
pourquoi est-ce que shaker le cocktail le refroidit plus vite ?
En effet, j’apporte de l’énergie au système shaker + cocktail au final. Cela voudrait dire que cet apport d’énergie accélère la fusion de la glace, consommant encore pus d’énergie que ce qu’il en apporte au mélange.
Si tu as des précisions sur ce qui se passe dans un shaker, je suis preneur !
Oui avant d’écrire l’article j’ai vérifié la terminologie : enthalpie de fusion est le terme générique, chaleur latente de fusion ne doit s’utiliser que dans le cas d’un corps pur…et puis de tout façon en utilisant « enthalpie » j’aurai fait fuir du monde 🙂
Pour le shaker, je pense que ça ne se refroidit pas plus, mais plus vite !
Comme le commentaire précédent, cela a à voir avec le fait que l’on est hors équilibre. En shakant, tu améliores l’homognénéité des températures et donc accélère le processus car on doit globalement plus facilement être à l’équilibre. C’est analogue au principe de la « chaleur tournante » dans un four…mais là c’est la « froideur tournante » !
Je pense que l’apport d’énergie mécanique est négligeable et donc ne réchauffe pas (essaye de réchauffer de l’eau avec un shaker !)
les frottements visqueux ne sont plus ce qu’ils étaient… avec des frottements secs, on peut facilement faire monter la température…
ceci dit, un certain monsieur Joule avait démontré l’équivalence travail / chaleur par l’intermédiaire de frottement visqueux (et d’un dispositif que peu serait capable de reproduire)
sans mouvement, l’eau à proximité du glaçon devient rapidement plus froide que la température moyenne de l’eau dans le verre (loin du glaçon)… si on mélange, on homogénéise effectivement les températures dans l’eau et donc on augmente la température de l’eau localement aux abords du glaçon donc on augmente les transferts de chaleur (ça va fondre plus vite)…
Merci pour ces précisions (merci à Steph aussi).
https://what-if.xkcd.com/71/
y’en a qui ont essayé… ils ont eu des problèmes…
J’adore l’article, c’est super intéressant, en revanche la photo de l’ours blanc me déprime :'(
Pingback: Pourquoi les glaçons refroidissent-ils (...
Effectivement, le glaçon en pierre, ça ne marche pas (testé et désapprouvé, comme quoi il faut réfléchir avant d’acheter n’importe quoi…) !
La capacité calorifique du granit est de 0,8 Joules par gramme.
Donc pour une pierre de même masse qu’un glaçon, le réchauffage jusqu’à 0°C consomme 144 Joules, soit environ 4% de l’énergie consommée par la fonte d’un glaçon.
Même si on tient compte d’une température finale plus élevée que 0°C (donc une consommation d’énergie un peu plus importante), ce n’est vraiment pas terrible !
Le seul intérêt est de ne pas diluer le whisky ! Mais comme je ne bois pas de whisky…
Pour ma part, je pense que l’énergie est liée aux mouvements des particules qui font que le temps existe, et que les états de chaud et de froid sont déterminés par le degré d’excitation des particules selon la pression de l’endroit où elles se trouvent. Par exemple, une zone dans l’Univers qui possède un taux d’entropie élevé, est une zone froide parce que la matière en y étant si épandue fait que l’énergie y semble absente. Ces zones froides sont de faux vides énergétiques au contraire des trous noirs qui, eux, en étant privés de matière sont de véritables vides énergétiques agissant en de véritables puits gravitationnels. Sans l’éther et ses propriétés physiques, partout dans l’Univers, il n’y aurait aucun accroissement de masse possible donc pas de formations d’étoiles et par voie de conséquence pas de formation de planètes.
Bien à vous…
Très bon article, merci !
A propos du shaker, le fait qu’il y ait de l’alcool (un antigel) qui se mélange aux glaçons ne provoque-t-il pas une baisse de la température supplémentaire lors de la fusion de la glace ? (de la même façon que la température baisse quand on fait fondre un glaçon avec du sel)
Réponse simple: les glaçons comme leur nom l’indique ont au plus 0°. donc ce sont eux qui refroidissent le quand celui ci a une température supérieure a celle des glaçons. aussi il est très difficile avoir du jaune plus froid que les glaçons,ces derniers ne seraient plus alors utiles . conclusion: cest le pastis qui réchauffent les glaçons, mais dans l’autre sens on voit qu’en se réchauffant,les glaçons refroidissent le pastis…
Super article comme toujours ! J’ai trouvé ce lien : http://www.joulies.com/pages/frontpage.
C’est une compagnie qui produit un matériau spécifique qui fond à 60°C. Il refroidit ainsi le café.
Lorsque le café se refroidit à 60°C, le matériau se met à se solidifier en transmettant ainsi de l’énergie calorique au café. Le café reste alors à 60°C. Génial, non ?
Je serai curieux de voir le calcul similaire appliqué à cette technique à la mode en temps de canicule :
asperger ses rideaux d’eau, et profiter de l’énergie consommé par l’évaporation pour refroidir la pièce
Encore un article bien étonnant comme il faut!!!!
Du coup il me semble qu’il y a une question évidente qui s’impose: pourrait-on refroidir notre pastis avec un glaçon chaud?
Je m’explique: supposons que notre réfrigérateur ne fasse pas du froid mais augmente la pression, on pourrait imaginer que l’eau gèle à température ambiante et donc que l’on puisse refroidir avec un glaçon plus chaud que notre pastis!!!
Si j’en crois ce site: http://fr.wikipedia.org/wiki/Diagramme_de_phase
le diagramme de phase de l’eau ne le permet pas, mais cela semble possible si on utilise un corps pur…
Si c’est le cas c’est un bel exemple du fait que des beaux raisonnements sont plus puissant que notre (en tout cas le mien) bon sens élémentaire!
Ca me parait effectivement possible, et très analogue au refroidissement que produit la détente d’un gaz (j’ai un petit barbecue à gaz et la bonbonne se couvre de glace qui condense, et ce malgré la proximité du grill)
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Joli petit article, sinon je vous poste aussi un lien avec des thermographies de fonte de glaçon, c’est assez surprenant aussi:
http://www.thethermograpiclibrary.org/index.php?title=Gla%C3%A7on
Article très intéressant, et bien vulgarisé (ce qui est rare en thermodynamique) !
Il m’amène en revanche à me poser une autre question :
Quand on fait bouillir de l’eau (disons 1kg initialement à 15°C, et transformation à pression constante), et qu’on veut calculer l’énergie nécessaire pour commencer l’ébullition. En utilisant Q=m*Cp*DeltaT, on ne calcule que l’énergie pour passer de la température initiale à 100°C, c’est correct ?
Dans ce cas, on a donc Q=1*4.180*(100-15) =355.3 kJ
Hypothétiquement, si on veut calculer l’énergie nécessaire pour transformer ce kg d’eau en vapeur, il faut utiliser la chaleur latente de vaporisation de l’eau à 100°C ? J’ai trouvé L=2250 kJ/kg ce qui donnerai
Q=m*L=2250 kJ
Donc quand l’ébullition débute dans une casserole, c’est qu’on à fourni les 355.3 kJ, mais seulement une infime partie des 2250 KJ liés à la fusion ?
Oui c’est pareil pour l’ébullition ! Je n’ai pas vérifié les chiffres, mais je ne serai pas surpris que l’énergie d’évaporation soit plus importante que celle nécessaire pour atteindre les 100°C.
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Bonjour
Article très intéressant et bien construit merci.
J’ai une question, pour les calculs de capacité calorifique et de chaleur latente de fusion, on doit pas plutôt pendre les valeurs de température en kelvin?
En toute rigueur, oui. Mais en pratique ce que l’on prend, ce sont des écarts de température. Et un écart en °C ou en Kelvin, c’est la même chose. Donc on peut prendre des Celsius.
Bonjour à tous! Merci David pour ton blog, c’est toujours super passionnant à lire! T’ayant trouvé récemment j’essaye de rattraper le retard en lisant tes billets depuis le début ça m’occupe pas mal de temps (…au lieu de bosser0 haha)
Je me posais la question à propos des glaçons en plastique avec le liquide dedans. Comme le liquide est solide (…?) quand on les met dans le verre et qu’il fondent ensuite, ça marche pareil? Beaucoup d’énergie est absorbé grâce à la fonte et on refroidit bien la boisson sans la diluer. C’est bien ça?
Oui c’est bien ça !
Bonjour,
Qu’en est-il avec de l’eau très salée ?
Puisque nous empêchons cette fonte?
Par l’expérience pratique, nous pouvons constater qu’une canette plongée dans un récipient contenant de l’eau salée (à partir de 10g de sel/litre d’eau), refroidit de 15°c (c.à.d. diminue de 15°C par rapport à la température qu’elle avait avant) en moins de 2 min, sans qu’aucun glaçon ne fonde.
Une explication ?
Merci
Amicalement
Gus
Très bon article 🙂 .
Parfois on veut refroidir un blanc ou un rosé, certains ont la technique de congeler des raisins pour les mettre dans le vin. Si on voulait obtenir une estimation, pourraient-ont s’en tenir au 80% d’eau dans le raisin et donc utiliser 0,8c ? Merci beaucoup !
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