{"id":1194,"date":"2011-04-11T00:01:19","date_gmt":"2011-04-10T22:01:19","guid":{"rendered":"http:\/\/sciencetonnante.wordpress.com\/?p=1194"},"modified":"2011-04-11T00:01:19","modified_gmt":"2011-04-10T22:01:19","slug":"la-surfusion-de-leau-cest-supercool","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/2011\/04\/11\/la-surfusion-de-leau-cest-supercool\/","title":{"rendered":"La surfusion de l’eau, c’est supercool !"},"content":{"rendered":"

\"\"<\/a>C\u2019est bien connu, l\u2019eau g\u00e8le \u00e0 0\u00b0C. Ce sont les lois de la thermodynamique qui nous le disent. Et la thermodynamique, c\u2019est une science s\u00e9rieuse\u00a0!<\/p>\n

Et pourtant dans certains cas, la nature a des r\u00e9ticences \u00e0 suivre les lois de la thermodynamique : avec quelques pr\u00e9cautions, il est ainsi possible de refroidir de l\u2019eau \u00e0 des temp\u00e9ratures inf\u00e9rieures \u00e0 0\u00b0C, sans qu’elle g\u00e8le !<\/p>\n

Surfusion et solidification<\/h3>\n

Pour r\u00e9aliser cet exploit, il faut refroidir l’eau tr\u00e8s pr\u00e9cautionneusement, par exemple dans un ext\u00e9rieur calme ou un cong\u00e9lateur bien isol\u00e9 des vibrations. Si vous avez de la chance et du doigt\u00e9, vous pourrez obtenir de l’eau liquide \u00e0 -15\u00b0C ! C’est ce qu’on appelle l’\u00e9tat de surfusion<\/strong>.<\/p>\n

L’explication r\u00e9side dans le fait que m\u00eame en dessous de 0\u00b0C, la r\u00e9action de cong\u00e9lation de l\u2019eau ne se d\u00e9clenche pas spontan\u00e9ment : elle a besoin d\u2019une perturbation pour d\u00e9marrer. <\/strong>Cette perturbation peut \u00eatre une vibration, une impuret\u00e9, un choc, etc.<\/p>\n

En revanche, comme nous allons le voir, d\u00e8s que la solidification a pu d\u00e9marrer quelque part dans le liquide, elle se comporte comme une r\u00e9action en cha\u00eene<\/strong> et se propage rapidement dans tout le volume d\u2019eau disponible.<\/p>\n

Rien ne vaut une belle vid\u00e9o pour illustrer \u00e7a. Youtube en regorge alors ne nous privons pas. Sur celle-ci l\u2019exp\u00e9rimentateur (qui a oubli\u00e9 sa blouse blanche) poss\u00e8de une bouteille d\u2019eau liquide qui a \u00e9t\u00e9 refroidie en dessous de 0\u00b0C.<\/p>\n

<\/p>\n

[youtube=http:\/\/www.youtube.com\/watch?v=wzHXiGdMvkU]<\/p>\n

Comme vous avez pu le voir, \u00e7a n\u2019est que quand l\u2019eau de la bouteille touche les gla\u00e7ons qu\u2019elle se solidifie. La solidification n\u2019est pas instantan\u00e9e, mais elle est assez rapide\u00a0! Les gla\u00e7ons du verre jouent ici le r\u00f4le d\u2019amorceur de la r\u00e9action<\/strong> en cha\u00eene. Mais en secouant la bouteille ou en la tapant contre la table, on aurait obtenu le m\u00eame ph\u00e9nom\u00e8ne.<\/p>\n

Stabilit\u00e9 et m\u00e9tastabilit\u00e9<\/h3>\n

\"\"<\/a>Pour expliquer ce comportement bizarre, il faut savoir que quand on affirme que l\u2019eau est solide en dessous de 0\u00b0C, on ne d\u00e9crit pas vraiment l\u2019\u00e9tat dans lequel se trouve<\/em> l\u2019eau, mais l\u2019\u00e9tat dans lequel elle devrait<\/em> se trouver<\/strong>. Encore faut-il que le processus de transition vers cet \u00e9tat puisse se d\u00e9rouler ! Et comme nous l’avons vu, pour se d\u00e9rouler il lui faut commencer avec une petite perturbation.<\/p>\n

Pour comprendre cette situation, prenons une analogie m\u00e9canique. Si vous placez une boule sur la pente d\u2019une vall\u00e9e,\u00a0 elle sera dans une position instable et elle va descendre dans le creux de la vall\u00e9e, qui est sa position stable<\/strong>.<\/p>\n

Mais si la pente est rugueuse ou avec un creux interm\u00e9diaire, il se peut que notre boule reste coinc\u00e9e ailleurs que dans le fond. On parle alors de position m\u00e9tastable<\/strong>. Il faudra \u00e0 notre boule une petite perturbation pour se sortir de cette position et rejoindre le fond de la vall\u00e9e.<\/p>\n

L’eau se comporte de mani\u00e8re analogue. Au-dessus de 0\u00b0C, l’\u00e9tat liquide est stable et si je perturbe mon eau, rien ne se produit. Quand je la refroidis en dessous de 0\u00b0C, l’eau surfondue devient m\u00e9tastable<\/strong> : elle peut demeurer ainsi quelques temps (comme la boule dans le creux interm\u00e9diaire), mais d\u00e8s qu’une perturbation suffisante est appliqu\u00e9e, l’eau est ramen\u00e9e dans son \u00e9tat stable : la glace.<\/p>\n

Diff\u00e9rents types de perturbations<\/h3>\n

Plusieurs types de perturbations peuvent \u00eatre utilis\u00e9es pour faire d\u00e9marrer la solidification de l\u2019eau surfondue. Le contact avec un gla\u00e7on repr\u00e9sente la perturbation id\u00e9ale<\/strong>, car il constitue alors une amorce de la r\u00e9action en cha\u00eene, en formant un germe autour duquel la solidification peut se produire.<\/p>\n

Un cas tr\u00e8s spectaculaire est illustr\u00e9 dans la vid\u00e9o ci-dessous\u00a0: l’eau se solidifie d\u00e8s qu’elle touche la glace dans le bol.<\/p>\n

[youtube=http:\/\/www.youtube.com\/watch?v=fSPzMva9_CE]<\/p>\n

La perturbation la plus courante est la vibration<\/strong>. Comme votre cong\u00e9lateur vibre un peu, c\u2019est cela qui fait que vous ne r\u00e9cup\u00e9rez jamais de l\u2019eau surfondue dans votre bac \u00e0 gla\u00e7ons. Le choc est \u00e9galement un bon d\u00e9clencheur. C\u2019est lui qui est \u00e0 l\u2019origine de certaines pluies vergla\u00e7antes,<\/strong> quand des gouttes d\u2019eau de pluie surfondue impactent le sol et se solidifient.<\/p>\n

Le d\u00e9clenchement par choc est \u00e9galement un des principes des chaufferettes \u00e0 main<\/strong>. Elles contiennent un liquide surfondu (de l’ac\u00e9tate de sodium) qui se met \u00e0 cristalliser en cas de choc. La r\u00e9action de cristallisation est exothermique, ce qui r\u00e9chauffe nos mains !<\/p>\n

[youtube=http:\/\/www.youtube.com\/watch?v=n_H5ZIoZSBo]<\/p>\n

Pour les furieux : le petit creux qui fait que l’\u00e9tat liquide est m\u00e9tastable signifie qu’il y a une barri\u00e8re \u00e9nerg\u00e9tique \u00e0 passer pour rejoindre l’\u00e9tat solide. Cette barri\u00e8re est due au fait que la nucl\u00e9ation d’une phase solide dans la phase liquide est co\u00fbteuse en terme d’\u00e9nergie de surface de l’interface solide-liquide. Mais d\u00e8s qu’un noyau assez grand a pu se former, ce co\u00fbt de surface devient faible devant le gain en volume d\u00fb \u00e0 l’\u00e9nergie de fusion : la r\u00e9action en cha\u00eene d\u00e9marre. Mais le ph\u00e9nom\u00e8ne est encore mal compris, et il y a de r\u00e9centes recherches sympathiques<\/a> sur le sujet.<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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Enfin autre perturbation utilisable\u00a0: la d\u00e9tente d\u2019un gaz dissous dans le liquide<\/strong>. En d\u2019autres termes\u00a0: prenez une bi\u00e8re, mettez l\u00e0 au cong\u00e9lateur quelques heures (attention, sans vibrations\u00a0!) et ouvrez la d\u00e9licatement. A l\u2019ouverture, le CO2 dissous dans la bi\u00e8re se met \u00e0 d\u00e9gazer, et cela d\u00e9clenche la solidification de votre bi\u00e8re en surfusion. Supercool<\/a> en soir\u00e9e\u00a0!<\/p>\n