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Si vous mettez de l'eau chaude au congélateur, vous pouvez observer l'effet de sa congélation accélérée. Ce phénomène a déjà été mentionné par Aristote, Francis Bacon et René Descartes.
En plaçant deux récipients d'eau chaude et d'eau froide dans le congélateur, on constate que l'eau chaude gèle plus vite. Ce fait est confirmé, par exemple, par le fait qu'en cas de froid intense, les tuyaux ouverts contenant de l'eau chaude gèlent plus vite que les tuyaux froids.
Une expérience à domicile
Pour vérifier la véracité de ce phénomène, vous pouvez réaliser une expérience simple à la maison.
- Prenez un litre d'eau et deux bacs à glaçons séparés.
- Verser environ la moitié de l'eau dans une bouilloire et la faire bouillir.
- Remplissez les plateaux d'eau froide et d'eau chaude et mettez-les au congélateur.
- Attendez une heure et vous verrez quelle eau se transforme en glace plus rapidement.
Le paradoxe de Mpemba
En 1963, un écolier africain a remarqué qu'une glace chaude placée dans le congélateur gelait plus vite qu'une glace froide. Il n'a pas obtenu de réponse à cette question de la part du professeur de physique de son école, mais a pu interroger le professeur de physique Dennis Osborne. Une expérience avec de l'eau a confirmé l'effet. Dans ce cas, deux échantillons de 70 ml d'eau à une température de 25 et 90°C ont été placés dans des gobelets identiques dans le congélateur d'un réfrigérateur domestique sur des morceaux de mousse.
Osborne et Mpemba ont ensuite mené une série d'expériences dont les résultats ont été publiés en 1969 dans la revue Physics Education.
Les principaux points de l'article sont présentés ci-dessous.
Comme le refroidissement commence principalement à la surface supérieure du liquide, la vitesse de refroidissement dépend de la température de cette surface, et non de la température moyenne du liquide, et les processus de convection maintiennent cette température. Par conséquent, le taux de perte de chaleur d'un système dont la température initiale est plus élevée sera également plus élevé que celui d'un système plus refroidi. Cette affirmation est controversée car l'eau doit passer par des températures intermédiaires avant de geler, mais compte tenu de l'influence du gradient de température, les auteurs ont admis que cette affirmation pouvait être omise. Par la suite, le phénomène a été activement discuté par les chercheurs et a été appelé "effet Mpemba".
La figure montre la dépendance de la vitesse de congélation par rapport à la température initiale de l'eau.
Explication de l'effet Mpemba
Cela fait un demi-siècle que l'on cherche une réponse à la question de savoir pourquoi l'eau chaude gèle plus vite. Des centaines d'articles scientifiques ont été publiés sur le sujet, mais ce n'est que 54 ans plus tard qu'une réponse définitive a été obtenue.
En 2013, la Royal Society of Chemistry of Great Britain a promis d'offrir un prix de 1 000 livres sterling à toute personne capable d'expliquer l'effet Mpemba. La meilleure réponse a été un essai de Nikola Bregovic de l'université de Zagreb en Croatie. Il a résumé les principales théories étudiées précédemment et les a décrites.
En 2016, un groupe de scientifiques a publié des documents de recherche qui niaient l'existence de ce phénomène. L'explication de l'effet lui-même était basée sur une erreur de recherche.
Il semblerait que le monde scientifique doive se calmer, mais pas ici, et en 2017, une étude conjointe d'un groupe de scientifiques chinois et américains a expliqué le phénomène par des liaisons hydrogène dans la structure en grappe de l'eau.
Les principales théories
Évaporation de l'eau
Certains scientifiques ont expliqué que l'eau chauffée s'évapore plus rapidement et que, par conséquent, soit elle gèle dans l'air et forme une croûte de glace, soit elle est simplement éliminée du système. Il convient de noter que dans toutes les expériences où la masse d'eau a été pesée avant et après la congélation, la perte de masse maximale n'a pas dépassé 3 %. Un changement de masse aussi insignifiant ne peut évidemment pas provoquer une accélération significative de la congélation. Une autre difficulté de cette expérience était qu'il était presque impossible de prouver ce point, car le fait de sceller le récipient avec de l'eau gelée modifierait non seulement l'évaporation, mais aussi le mouvement des flux de chaleur.
Gaz dissous
La solubilité des gaz dans l'eau diminue avec l'augmentation de la température. Sur cette base, certains chercheurs ont supposé que la congélation rapide de l'eau était liée à ce fait. Les recherches de Thomas ont montré que la différence entre les températures de congélation s'écarte légèrement de zéro, et Auerbach a prouvé que la concentration de gaz dans l'eau n'affecte pas la surfusion.
La conversion est favorisée par un gradient de chaleur
Comprenons ce que sont la convection et le gradient de chaleur. Lorsqu'un récipient d'eau est placé dans un congélateur, le liquide à la surface et près des parois du récipient entre en contact avec l'environnement froid et se refroidit plus rapidement. Dans le même temps, la température à l'intérieur de l'échantillon est maintenue, ce qui entraîne une différence de température ou un gradient de température dans le récipient. Cela provoque un transfert de chaleur, et plus le gradient est important, plus la convection est efficace. Par conséquent, plus la différence de température est élevée, plus le transfert de chaleur et le refroidissement sont actifs.
Liaisons hydrogène
En 2017, la réponse définitive a été donnée à la question de savoir pourquoi l'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide. La raison réside dans les propriétés des liaisons hydrogène. L'argument clé des chercheurs est que le nombre de liaisons hydrogène fortes augmente avec la température, et l'existence de petits groupes fortement liés, à son tour, contribue à la formation de glace hexagonale régulière lorsque l'eau chaude se refroidit rapidement. En outre, l'effet inverse d'un réchauffement rapide de l'eau surfondue a été prouvé.
Nous avons déjà écrit sur la formation de la glace et l'emplacement de la molécule d'eau dans sa structure.
A propos, la recherche est en cours :)
Ressources :
- Tao, Yunwen ; Zou, Wenli ; Jia, Junteng ; Li, Wei ; Cremer, Dieter (2016). Différents modes de liaison hydrogène dans l'eau - Pourquoi l'eau chaude gèle-t-elle plus vite que l'eau froide ? ACS Publications. Collection. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.6b00735
- N. Bregović, L'effet Mpemba du point de vue d'un physico-chimiste expérimental. http://www. rsc.org/images/nikola-bregovic-entry_tcm18-225169.pdf 2012.
- Différents modes de liaison hydrogène dans l'eau - Pourquoi l'eau chaude gèle-t-elle plus vite que l'eau froide ? Yunwen Tao, Wenli Zou, Junteng Jia, Wei Li et Dieter Cremer. Journal of Chemical Theory and Computation 2017 13 (1), 55-76. DOI : 10.1021/acs.jctc.6b00735.
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