Double salto arrière à la bouilloire

Explication de l'effet Mpemba qui prend en compte 5 facteurs:

1. L'évaporation de l'eau dans l'échantillon chaud est responsable d'une perte de volume. Cette évaporation nécessite énormément de chaleur (chaleur latente de changement d'état due à l’énorme capacité calorifique de l’eau), ainsi la chaleur de l'eau chaude est rapidement perdue. Certains chimistes affirmèrent et soutiennent toujours que le fait que l'eau chaude ait moins de volume le fait congeler plus rapidement que l'eau froide. Cela est très contestable car la perte de volume n'est pas assez conséquente.

2. Les gaz dissous dans l'eau (principalement O2 et CO2) ont pour effet d'abaisser le point de congélation. Dans l'eau chaude, ces gaz s'échappent car la chaleur de l'eau chaude les rend insolubles, mais dans l'eau froide, ces gaz restent dans l'échantillon, ce qui explique pourquoi l'eau froide surfusionne beaucoup plus que l'eau chaude.

3. La conduction thermique explique la grande surfusion des capillaires : de petits volumes ayant une grande surface de contact avec l'air ambiant laissent mieux s'échapper la chaleur que de grands volumes, on aura alors un fort degré de surfusion en un temps plus court puisque la chaleur quitte l'échantillon très rapidement.

4. A partir de 3.98°C, l'eau devient moins dense car elle augmente de volume (c’est pourquoi la glace flotte), une fine pellicule de cristaux de glace se forme au niveau de l'interface eau/air et y reste. Ceci est valable pour l'eau froide. Mais dans l'eau chaude, cette congélation superficielle est encore plus rapide, et ce, à cause de la très grande différence de température. Ce fin film de cristaux est désormais plus dense que l'eau chaude située en dessous. Il s'ensuit alors des mouvements de convections : l'eau gelée descend et l'eau chaude monte. Ce contact incessant entre l'eau chaude et la glace tend à refroidir l'échantillon assez brutalement et donc à le faire geler plus vite que l’échantillon d'eau froide.

5. Lors de la surfusion, la congélation ne peut se faire que lorsque le liquide atteint une température dite de nucléation. Cette température est variable et dépend de nombreux paramètres (bulles de gaz, germe cristallin, champ magnétique, etc.). Mais une température limite existe : si la congélation n'est toujours pas atteinte au point de Schaefer, les cristaux de glace se forment spontanément. L'eau froide surfusionne bien plus que l'eau chaude (car absence de mouvement de convection et présence de gaz dissout). Donc l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide. Ce dernier facteur — la surfusion — est prépondérant lors de l’effet Mpemba.

Envoyé par phil_good le 24 décembre 2018 à 11h26