Epaisseur de glace et température

[djazzz]

Salut à tous, petite question: j'ai un tonneau dans ma prairie rempli d'eau, plus il gele fort et plus la couche de glace est épaisse, elle doit faire 40cm par -10.

Si la température venait à remonter à -2, est-ce que la couche de glace diminuerait de 4/5 ou bien est-ce qu'elle serait toujours de 40cm?

......

[ChP]

Le fait qu'il y ait X cm de glace dans ton tonneau est le simple résultat d'un équilibre thermodynamique entre le tonneau et son environnement.

S'il faisait -10°C partout, dessus, dessous, autour, tu n'aurais plus une goutte d'eau, mais que de la glace. Pareil à -2°C.

S'il y a de l'eau dans ton tonneau quand il fait -10°C dehors, c'est qu'il y a une source de chaleur quelque part qui participe au non gel (ou dégel) de cette glace. Elle vient probablement du sol (ce n'est pas pour cela que l'eau est en dessous, c'est simplement que sa densité est supérieure à celle de la glace /emoticons/wink@2x.png 2x" width="20" height="20"> ).

Les transferts thermiques n'étant pas instantanés, tu ne pourras pas faire de liaison directe entre la température extérieure à un moment donné et l'épaisseur de glace dans ton tonneau.

EDIT : Correction d'accord

Mais globalement, pour un environnement donné et dans la durée, l'épaisseur de glace sera liée à la température extérieure.

Cordialement.

Pierre

[Météo78]

Mais globalement, pour un environnement donné et dans la durée, l'épaisseur de glace sera liée à la température extérieure.

5cm de neige dessus et une grosse partie de la glace fond même par -10, pour que l'épaisseur reste identique par -2 ou -10 il faut que ce soit gelé en entier car la glace est un isolant et quand il fait -2° dehors avec 40cm de glace entre dehors et l'eau liquide il y a assez d'isolant (largement) pour que l'eau liquide fasse fondre une partie de la glace au dessus

[ribi]

5cm de neige dessus et une grosse partie de la glace fond même par -10, pour que l'épaisseur reste identique par -2 ou -10 il faut que ce soit gelé en entier car la glace est un isolant et quand il fait -2° dehors avec 40cm de glace entre dehors et l'eau liquide il y a assez d'isolant (largement) pour que l'eau liquide fasse fondre une partie de la glace au dessus

Tout dépend du contexte.

La physique pure dit que l'épaisseur de glace doit encore augmenter à -2°C pour un tonneau en contact uniquement avec un environnement à -2°C et s'il n'y a pas de surpression dans l'eau liquide, l'état final d'équilibre du contenu du tonneau est de la glace sans liquide à -2°C. Un problème est que l'équilibre met beaucoup de temps à se faire pour un tonneau. En tout cas, l'eau liquide à 0°C en contact avec la glace ne peut pas faire fondre la glace au-dessus.

Si l'on tient compte de l'énergie qui vient de la terre, le raisonnement de Météo 78 semble plausible, un peu comme pour des lacs sous-glaciaires, mais personnellement, je demanderais une vérification expérimentale /emoticons/biggrin@2x.png 2x" width="20" height="20"> pour un tonneau.

[djazzz]

Ok merci à tous pour vos réponses très précises

[Cotissois 31]

Quand on a un changement d'état, c'est typiquement un effet de seuil avec présence d'instabilité, donc non-linéaire, donc non proportionnel.

On sait bien sûr qu'au bout d'un moment la glace va prendre partout. Le problème c'est au bout de combien de temps...?

On a plusieurs freins à la congélation :

- la mauvaise conductivité du tonneau

- la chaleur latente de glaciation

- la convection (l'eau la plus légère doit aller en haut, au départ ce sera l'eau chaude puis en se rapprochant de 0°C ce sera l'eau froide, pas simple...)

- le flux de chaleur du sol ?

- le rayonnement du soleil ?

A moins d'un improbable équilibre (soleil très puissant, radiateur en-dessous), on ne peut au final pas donner de loi pour la simple et bonne raison que l'épaisseur de glace va continuellement augmenter. A condition bien sûr que la température de l'air reste négative...

[fsd8tr]

Si l'on considère que les cotés du tonneau sont totalement isolés, on a donc la surface de l'eau qui est confrontée à la température extérieure et le fond du tonneau qui perçoit les remontées thermiques du sol.

On peut prendre par exemple 10w en remontées thermiques pour faire simple.

L'eau est à une température proche de 0°C.

S'il fait -10°C et que la couche de glace à la surface du tonneau est de 10 cm on devrait (si ma mémoire est bonne) avoir un flux sortant pour un gradient de 100°C pour 1 m de glace égal à 100*2,2 = 220w.

Ce qui donne donc en perte nette 210w. La glace s'épaissit rapidement.

S'il fait toujours -10°C avec 40 cm de glace le gradient passe à 25°C par m soit 25*2,2 = 55 w

Ce qui donne en perte nette 45 w. La glace s'épaissit beaucoup moins rapidement.

Avec -2°C et 50 cm de glace, le gradient passe à 4°C par m de glace. Soit 8,8 w de flux sortant.

Ce qui donne un gain net de 1,2 w. La glace ne se forme forme plus et l'on peut à la longue observer une très légère fonte jusqu'à l'équilibre.

Avec les bords du tonneau non isolés la glace se forme aussi sur les cotés et même à -2°C de température extérieure la glace continue de remplacer l'eau. De plus en plus lentement bien évidemment.

[Cotissois 31]

C'est intéressant de voir la manière de chacun pour répondre au problème. /emoticons/smile@2x.png 2x" width="20" height="20"> Je veux bien te croire sur les données chiffrées fsd8tr, mais le flux de chaleur du sol il arrive comment à l'eau ? Si les parois latérales sont isolées, pourquoi ça ne le serait pas au fond ?

[lorenz]

Quand on a un changement d'état, c'est typiquement un effet de seuil avec présence d'instabilité, donc non-linéaire, donc non proportionnel.

On sait bien sûr qu'au bout d'un moment la glace va prendre partout. Le problème c'est au bout de combien de temps...?

On a plusieurs freins à la congélation :

- la mauvaise conductivité du tonneau

- la chaleur latente de glaciation

- la convection (l'eau la plus légère doit aller en haut, au départ ce sera l'eau chaude puis en se rapprochant de 0°C ce sera l'eau froide, pas simple...)

Excellent exposé de Cotissois sur le changement d'état de l'eau (metastable) et sur l'effet Mpemba .

Dans certains cas, un liquide chaud aura tendance à atteindre une phase solide de manière plus rapide qu'un même liquide froid

(expérience de la crème chaude et de la crème froide mises dans un congélateur...qui se solidifiera en premier??pas celle que l'on croirait intuitivement ).

Je rajouterai un paramêtre inconnu alors...y a t'il dans l'eau du tonneau des éléments pouvant permettre un noyau de congélation (des aérosols par exemple) ...et qui faciliterait le passage en phase solide de l'eau restante.

[Cotissois 31]

Honnêtement je ne connaissais pas l'effet Mpemba /emoticons/biggrin@2x.png 2x" width="20" height="20">

Je pensais plus aux mécanismes impliqués qu'à l'effet final produit, pour donner une idée de la complexité du problème.

Le plus dur étant dans doute la paramétrisation du changement d'état, car si la température évolue de façon continue et l'évolution de la température de l'eau peut être prévisible, l'état liquide vs glace c'est du tout ou rien, et ça paraît difficile à gérer par la modélisation. A moins qu'il faille considérer des états intermédiaires....?

Si des spécialistes de la modélisation de la glace passent par là...

[fsd8tr]

Si les parois latérales sont isolées, pourquoi ça ne le serait pas au fond ?

Parce que c'est une simulation...et dans une simulation je fais ce que je veux, d'abord!/emoticons/wink@2x.png 2x" width="20" height="20">En fait c'était pour conserver la seule source de chaleur continue sans trop compliquer le tout.

Du coup, on peut étendre le raisonnement à un lac ou un étang qui finalement se constitue d'une surface et d'un fond, puisque même les bords sont au fond.