Surfusion

[hugo_frais]

Il m'arrive souvent de lire que les nuages contiennent de l'eau surfondue, que les pluies verglaçantes sont le résultat de l'eau surfondue qui touche le sol....

J'ai compris que l'eau surfondue est de l'eau qui reste à l'état liquide alors que sa température est inférieure à sa température "normale" de solidification (soit <0°C à pression atmo standard) et que cet équilibre peut être rompu par un élément extérieur (contact avec un catalyseur ou un solide, agitation...) ce qui a pour effet une solidification rapide accompagnée d'une remontée de la température à 0°C.

MAIS:

Malgré plusieurs recherches, je n'arrive pas à comprendre le principe physique et les conditions qui permettent à l'eau de rester liquide à des températures pouvant aller jusqu'à -40°C.

Est-ce lié à la pureté de l'eau, aux gaz dissous dans l'eau, à la vitesse de refroidissement de l'eau...????

Je me demande également :

- Quelle est la température minimale que peut avoir une goutte d'eau surfondue juste avant de toucher le sol?

- Si une goutte d'eau surfondue à -30°C par exemple vous tombe sur le bras, elle va se solidifier quasi instantanément et remonter à 0°C. Les échanges thermiques entre l'eau et la peau sont-ils violents? Est ce qu'on peut dans un cas extrême se retrouver avec une couche de glace sur tout le corps (un peu comme ça arrive parfois sur le pare-brise d'une voiture)?

En me baladant sur google je suis tombé sur cet article du CNRS ou l'eau est qualifiée de liquide anormal (c'est un peu HS mais reste intéresant):

http://www2.cnrs.fr/...ournal/1972.htm

[ribi]

Plaçons à la pression atmosphérique, environ 1 bar.

Pour une température T>0°C, l'eau est plus stable que la glace, et si T<0°C la glace est plus stable que l'eau.

Il serait faux de croire que l'eau devient instable si T<0°C.

En effet, plaçons-nous à un niveau microscopique, c'est-à-dire un empilement de molécules d'eau correspondant à l'un ou l'autre état (glace et eau). Imaginons, en déplaçant peu à peu les molécules d'eau les unes par rapport aux autres, un passage (=un chemin) de l'eau à la glace.

Ce chemin suit la même logique que la plupart des chemins réactionnels en chimie : même si on gagne de l'"énergie" à transformer de l'eau en glace si T<0°C, le chemin comportera toujours deux parties, une montée en "énergie" de l'eau à un "col", puis une descente en "énergie" du "col" à la glace.

Donc, même si l'eau est moins stable que la glace si T<0°C, l'eau est plus stable que tout état extrêmement voisin correspondant à un empilement presque comme dans l'eau liquide. On dit que l'eau est métastable.

Du coup, on devrait s'étonner du fait que la glace apparaisse dès que T<0°C. Si l'eau était pure, ce ne serait pas le cas. Mais il y a les impuretés (poussières) et les parois sur lesquels des mécanismes plus compliqués conduiront à la formation du premier cristal de glace. Ensuite, on assiste à la croissance progressive de la glace autour du germe.

Plus on descend en température, plus la glace devient basse en "énergie" par rapport à l'eau, petit à petit le "col" à franchir devient de plus en plus facile, il devient très proche de la configuration de l'eau liquide.

À T<-40°C (ou -36°C selon les articles), il n'y a plus de barrière à franchir, plus de "col", l'eau devient enfin instable. Cette limite (limite spinodale) correspond à la nucléation homogène : une eau très pure se transformerait en masse en glace à cette température.

La température minimale théorique pour une goutte d'eau liquide dans l'atmosphère serait donc -40°C.

Une goutte d'eau liquide à -30°C qui se solidifie restitue beaucoup d'énergie, ce qui va augmenter sa température. Si elle est en contact avec un corps à une température supérieure à 0°C, il sera impossible que la goutte se solidifie en totalité, il n'y aura qu'une partie de congelée. Par contre, s'il fait moins de 0°C autour de la goutte (ce qui est très probable, car sinon pourquoi l'eau serait à cette température initiale de -30°C ?), la glace croîtra facilement ensuite...

[hugo_frais]

Merci ribi pour ces explications.

Il y a une phrase que je n'ai pas comprise : "Donc, même si l'eau est moins stable que la glace si T<0°C, l'eau est plus stable que tout état extrêmement voisin"

Qu'entends tu par "état"? Pour moi l'eau a 3 états: solide, liquide, gazeux et donc ce n'est pas cohérent avec la première partie de la phrase... je dois rater quelquechose

[ribi]

Merci ribi pour ces explications.

Il y a une phrase que je n'ai pas comprise : "Donc, même si l'eau est moins stable que la glace si T<0°C, l'eau est plus stable que tout état extrêmement voisin"

Qu'entends tu par "état"? Pour moi l'eau a 3 états: solide, liquide, gazeux et donc ce n'est pas cohérent avec la première partie de la phrase... je dois rater quelquechose

Je n'aurais pas dû utiliser le mot état, il est ambigu. Je ne voulais surtout pas parler des états de la matière (solide, liquide, gaz). Je voulais parler de "façon d'être" positionné pour l'empilement des molécules. (et même le mot empilement est ambigu, il faudrait fixer une distribution de positions, orientations et de vitesses pour un système de N molécules)En fait, je voulais simplement répéter ce que je venais de dire: pour tout "chemin" qui va de l'eau (point de départ), à la glace (point d'arrivée), l'eau est moins stable que la glace, mais plus stable que tout point extrêmement près du point de départ (à cause du "col").

[Damien49]

Juste pour compléter la parfaite démonstration de ribi (je n'aurais sut mieux expliquer) :

même si on gagne de l'"énergie" à transformer de l'eau en glace si T<0°C

On appelle cette énergie de la "chaleur latente"

Mais il y a les impuretés (poussières) et les parois sur lesquels des mécanismes plus compliqués conduiront à la formation du premier cristal de glace

Ce contact solide (impureté) - liquide (eau) est régit par la "tension superficielle"

Une goutte d'eau liquide à -30°C qui se solidifie restitue beaucoup d'énergie, ce qui va augmenter sa température

, cette énergie c'est de l'agitation thermique et cette agitation thermique empêche la solidification à l'état microscopique, alors que la température est bien négative à l'état macroscopique (enfin perso j'ai souvent compris la surfusion simplement comme ça, je sais pas si c'est juste).

[ribi]

Juste pour compléter la parfaite démonstration de ribi (je n'aurais sut mieux expliquer) :

On appelle cette énergie de la "chaleur latente"

Non cette "énergie" était pour moi l'enthalpie libre de Gibbs, G, si on travaille à pression constante.À 0°C, la chaleur latente de fusion de l'eau n'est pas nulle.

, cette énergie c'est de l'agitation thermique et cette agitation thermique empêche la solidification à l'état microscopique, alors que la température est bien négative à l'état macroscopique (enfin perso j'ai souvent compris la surfusion simplement comme ça, je sais pas si c'est juste).

(Je ne comprends pas bien, je n'ai pas l'impression que ce soit vrai : la température est une notion statistique et elle doit avoir la même valeur pour un cube de 0,1 micromètre de côté, ou pour un thermomètre)Quand j'avais utilisé énergie (sans guillemets), je pensais à la "chaleur latente" justement...

Rassure-toi, Damien49, cela me semble un sujet compliqué, il n'est pas impossible que j'aie fait des erreurs en voulant simplifier...

[Damien49]

c'est en effet un sujet compliqué aussi pour moi^^ Une petite piqure de rappel me ferait du bien.

(Je ne comprends pas bien, je n'ai pas l'impression que ce soit vrai : la température est une notion statistique et elle doit avoir la même valeur pour un cube de 0,1 micromètre de côté, ou pour un thermomètre)

Là-dessus je ne suis pas sûr justement puisque la température est la matérialisation macroscopique de l'énergie cinétique des particules (= agitation thermique). Quand je parle au niveau microscopique c'est au niveau de la particule, de l'atome, donc plutôt de l'ordre de 0.01 nanomètre. Mais ça ne dit pas si ma phrase d'avant sur la surfusion est bonne ou non pour autant /emoticons/wink@2x.png 2x" width="20" height="20">

[hugo_frais]

Une goutte d'eau liquide à -30°C qui se solidifie restitue beaucoup d'énergie, ce qui va augmenter sa température.

, cette énergie c'est de l'agitation thermique et cette agitation thermique empêche la solidification à l'état microscopique, alors que la température est bien négative à l'état macroscopique (enfin perso j'ai souvent compris la surfusion simplement comme ça, je sais pas si c'est juste).

En couplant vos deux remarques ont obtient : Si de l'eau à -30°C se solidifie, elle restitue de la chaleur et de se fait empêche la solidification "globale".

Alors comment expliquer que l'eau surfondue puisse geler, puisque dès qu'un petit ensemble de molécules va commencer à geler, la chaleur dégagée va le faire dégeler???

Par contre si on commence à regarder se qui passe au niveau microscopique (atomique), on entre dans la physique quantique et là je pense que tout le monde va être largué

En tout cas grâce à vos échanges je comprends un peu mieux pourquoi je n'ai pas trouvé d'explication simple et claire sur le principe de surfusion, c'est peut être invulgarisable...

[ribi]

pour Damien:

J'avais cru comprendre que tu pensais que la température pouvait être plus élevée à l'échelle microscopique qu'à l'échelle macroscopique. Dès qu'on est à une échelle suffisante pour définir la température, c'est la même valeur...

Apparemment, tu ne dis pas ça.

Je ne vois pas bien pourquoi l'agitation thermique empêcherait la solidification en masse, d'autant plus qu'il restera de l'agitation à -40°C quand le liquide va prendre en masse. De plus, l'énergie cinétique n'est pas forcément conservée au cours de la transformation. Le lien entre température et énergie cinétique moyenne n'est simple que dans le cas de gaz parfaits.

Je n'exclus pas cependant qu'il y ait quelque chose du genre de ce que tu dis avec un peu d'imagination, ça me plairait plutôt, mais je n'arrive pas à le reformuler, et je ne sais pas. Désolé pour la piqûre de rappel.

pour Hugo:

La "chaleur" due à la solidification de l'eau à -30°C va augmenter la température de la glace et de l'eau surfondue, et non pas reformer de l'eau, qui est moins stable que la glace au dessous de 0°C.

(edit après une nuit de sommeil)

Ce qui précède n'est effectivement pas très satisfaisant au niveau de la clarté. Je vais tenter une explication simple, sans parler d'énergie.

Une explication de la surfusion...

Il s'agit tout simplement d'un phénomène de retard d'une réaction rendue infiniment lente. La solidification de l'eau est une réaction "physique", mais elle peut être considérée tout comme s'il s'agissait d'une réaction chimique.

On peut faire un parallèle avec un mélange hydrogène (H2) et oxygène (O2) dans un récipient. On peut facilement mélanger ces deux gaz et se rendre compte qu'aucune réaction ne démarre spontanément. La réaction qui forme de l'eau (H2O) à partir de H2 et O2 existe pourtant, mais il s'agit d'une réaction infiniment lente à température ambiante.

Pour démarrer la réaction (EXPLOSIVE!) de formation de H2O, il suffit de placer un "germe" pour que la réaction démarre : il peut s'agir d'une étincelle ou d'un catalyseur.

C'est pareil pour la surfusion: à T=-10°C (par exemple), si on place de l'eau liquide très pure dans un récipient parfaitement propre adéquat (sur lequel aucun "germe" pour la glace n'existe), l'eau reste (indéfiniment ?) sous forme liquide plutôt que sous forme de glace. La réaction ne démarre pas spontanément. Par contre, si l'eau est mise en contact avec une poussière adéquate ou un cristal de glace, la réaction de formation de la glace peut démarrer.

Voir par exemple cette expérience :

Anecdotiquement, on remarque que l'état final est un mélange eau glace à 0°C et pas de la glace pure.

Dans une atmosphère pure, les gouttelettes d'eau peuvent rester surfondues à des températures négatives.

[Damien49]

La nuit porte effectivement conseil. J'avoue que mon raisonnement était peut être trop simpliste. Je recommence, y'a cette histoire de bulle que j'avais oublié

Alors comment expliquer que l'eau surfondue puisse geler, puisque dès qu'un petit ensemble de molécules va commencer à geler, la chaleur dégagée va le faire dégeler???

J'essaye de répondre, mais c'est plus un exercice perso car pas sûr de moi non plus : /emoticons/happy@2x.png 2x" width="20" height="20">

A -39°c elle gèlera quand même, il y a une limite à la surfusion tout de même. Sinon pourquoi elle gèlera ? Grâce à la tension superficielle. Sans impuretés, les noyaux de congélations commenceront à se former sur des bulles stables et cette nucléation de bulles se forme naturellement grâce à l'énergie évacué en dessous de 0°C (agitation thermique de chaleur latente). Sinon s'il y a des impuretés, les noyaux se forment à partir des impuretés. Une autre façon est de rendre plus instable le liquide surfondu en l'agitant par exemple (de façon macroscopique), donc formations de bulles qui servent de noyau de congélation.

PS : j'ai fait une petite recherche vite fait sur le net avec la surfusion et ce que j'ai lu me convient pas, c'est soit hyper compliqué et incompréhensible, soit beaucoup trop simpliste. Dingue qu'il n'y ai personne qui est vulgarisé la chose en rentrant quand même un peu dans les détails. Bref si quelqu'un de calé pouvait me corriger...

[ribi]

A -39°c elle gèlera quand même, il y a une limite à la surfusion tout de même. Sinon pourquoi elle gèlera ? Grâce à la tension superficielle. Sans impuretés, les noyaux de congélations commenceront à se former sur des bulles stables et cette nucléation de bulles se forme naturellement grâce à l'énergie évacué en dessous de 0°C (agitation thermique de chaleur latente). Sinon s'il y a des impuretés, les noyaux se forment à partir des impuretés. Une autre façon est de rendre plus instable le liquide surfondu en l'agitant par exemple (de façon macroscopique), donc formations de bulles qui servent de noyau de congélation.

entre -40°C et 0°C la glace pousse sur les surfaces effectivement. Au dessous de -40°C, la glace doit prendre en masse car l'eau liquide n'est plus métastable mais instable.

[hugo_frais]

Je ne suis pas sûr de moi mais je pense qu'on pourrait résumer ainsi:

L'eau pure dans une atmosphère pure et dans un environnement calme et stable se solidifie à -39°C (ou -41°C selon les sources), c'est en quelque sorte la limite de nucléation.

Par contre si -39°C

- présence d'impuretés dans l'eau

- contact avec un solide

- présence de gaz dans l'eau

- agitation à l'échelle macroscopique (ex: choc sur le récipient)

-....

C'est en fait faut de dire que l'eau gèle à 0°C... car l'eau peut geler à partir de 0°C si on déclenche la solidification par un élément extérieur.

[Damien49]

C'est en fait faut de dire que l'eau gèle à 0°C... car l'eau peut geler à partir de 0°C si on déclenche la solidification par un élément extérieur.

Si l'eau gèle à 0°C car de l'eau pure dans la nature ça n'existe pratiquement qu'en laboratoire. Après il est vrai que dans l'atmosphère, une goutte d'eau isolée des autres gouttes d'eau à plus de mal à trouver un noyau solide comme base de cristallisation. Ca demande vérification, mais je ne suis pas sûr que la surfusion se déroule d'une façon homogène au sein d'un nuage. A mon avis entre 0 et -40°C on doit avoir présence d'un mélange d'eau surfondue et de cristaux de glace. Le nombre de cristaux doit de plus croitre avec le Temps. Mais c'est purement une déduction perso que je fais là.

[Cotissois 31]

Déjà on aura rarement -40°C dans un nuage. Donc il n'y a pas de seuil exact entre l'eau surfondue et les cristaux de glace.

Ensuite, il est clair que la microphysique nuageuse est complexe, et il faut oublier les diagrammes de stabilité des espèces prises indépendantes.