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Nous avons tous vu comment les glaçons fondent lorsqu’ils sont placés dans de l’eau ou un autre liquide. Nous avons également vu comment la glace placée sur une table se transforme lentement en une petite flaque d’eau froide. Mais dans lequel des deux cas fond-il le plus vite ?
Cet article vise à illustrer quelques concepts importants sur le transfert de chaleur à partir de l’analyse de l’un des phénomènes de fusion les plus courants auxquels nous sommes exposés dans notre vie quotidienne : la fonte d’un glaçon.
Pour notre discussion, commençons par définir quelques concepts importants.
le processus de fusion
La fonte d’un glaçon est un processus de changement de phase physique dans lequel l’eau passe d’un état solide à un état liquide. Ce type de changement de phase est appelé fusion et est un processus endothermique. Ce dernier signifie que la glace doit absorber de la chaleur pour fondre ; c’est-à-dire qu’il doit briser les forces intermoléculaires qui maintiennent fermement les molécules d’eau ensemble dans la glace.
Ce processus peut être représenté par l’équation suivante :
où Q fusion est la chaleur que l’eau doit absorber pour fondre.
Comme vous pouvez le voir, tout ce qu’il faut pour faire fondre la glace, c’est de la chaleur. Par conséquent, pour déterminer quand la glace fond plus rapidement, que ce soit dans l’eau ou dans l’air, ce qu’il faut vraiment se demander, c’est dans quelle situation la glace peut-elle absorber la chaleur plus rapidement.
Variables affectant le processus de fusion
La fusion est un processus qui dépend de plusieurs facteurs tels que la température, la pression et la présence de solutés dans le liquide.
température de fusion
Tout d’abord, ce changement de phase se produit ou est observé à une température particulière appelée point de fusion. Cela signifie que, pour qu’une substance soit à l’état solide, elle doit être à une température inférieure à son point de fusion.
L’inverse est également vrai. Chaque fois que nous voyons une substance à l’état solide (comme la glace) qui ne fond pas, nous pouvons être sûrs qu’elle est à une température inférieure à son point de fusion. Pour le faire fondre, nous devons d’abord chauffer le solide à son point de fusion, puis ajouter plus de chaleur pour le faire fondre.
Cela a une implication importante pour notre problème : lorsque l’on considère où une glace fondra plus rapidement, nous devons nous assurer que dans les deux cas, la glace en question est à la même température initiale. Sinon, plus de chaleur sera nécessaire dans un cas pour amener la glace à son point de fusion.
effet de pression
Le point de fusion de la plupart des solides augmente avec la pression, mais dans le cas de l’eau, c’est exactement le contraire qui est vrai. Cela est dû à une propriété anormale de l’eau, qui est que, contrairement à la grande majorité des substances pures, l’eau à l’état solide (c’est-à-dire la glace) est moins dense que l’eau liquide.
Cela provoque une augmentation de la pression pour aider à transformer la glace en eau (qui a un volume spécifique plus petit). Par conséquent, moins d’énergie thermique est nécessaire pour séparer les molécules d’eau et faire fondre la glace, et la glace fond à une température plus basse (c’est-à-dire plus facilement).
effet de soluté
D’autre part, la présence de solutés dissous ou d’impuretés dans un liquide est également un facteur qui affecte le point de fusion. En fait, il s’agit d’une propriété colligative des solutions appelée dépression cryoscopique ou dépression du point de fusion.
Compte tenu de ces deux facteurs qui peuvent influer sur le point de fusion de l’eau et donc sur la vitesse à laquelle un glaçon fond dans tel ou tel milieu, il faut veiller à poursuivre l’analyse en s’assurant que dans les deux cas on a affaire à une eau totalement pur et exempt de tout soluté. Il faut aussi s’assurer que dans les deux cas la pression atmosphérique est la même et reste constante. Cela facilitera grandement l’analyse du problème afin que nous puissions nous concentrer sur la seule variable qui nous intéresse : si la glace est entourée d’eau liquide ou d’air.
Mécanismes de transfert de chaleur
Nous avons déjà précisé que pour qu’une glace fonde, elle doit absorber la chaleur de son environnement. Cette chaleur remplira d’abord le rôle de chauffer le glaçon jusqu’à son point de fusion, puis de réaliser le processus de fusion lui-même.
Si nous commençons avec deux glaçons de même taille, forme et masse, faits d’eau complètement pure, et qui sont à la même température initiale, alors les deux glaçons auront besoin d’exactement la même quantité de chaleur pour fondre.
Par conséquent, ce qu’il faut analyser, c’est où la glace pourra absorber plus rapidement la chaleur : de l’air ou de l’eau liquide. Pour ce faire, nous devons comprendre les différentes façons dont la chaleur peut être transférée, qui sont : la convection, la conduction et le rayonnement.
conduction thermique
Ce mécanisme de transfert est celui qui se produit par contact direct entre les particules qui forment deux corps (ou deux systèmes thermodynamiques) qui sont à des températures différentes. C’est le type de transfert qui se produit lorsque nous nous brûlons les mains en touchant une poêle chaude, par exemple. C’est aussi le type d’échange de chaleur qui se produit entre la glace et l’eau ou entre la glace et l’air.
Le taux de conduction thermique dépend de plusieurs facteurs. Parmi eux se trouvent la surface de contact, le gradient de température (c’est-à-dire la différence de température entre deux points divisée par leur distance) et la conductivité thermique du milieu (qui n’est rien de plus qu’une mesure de la façon dont la chaleur conduit un matériau).
De toutes ces variables, on peut contrôler la surface de contact en s’assurant que les deux glaces ont la même forme et les mêmes dimensions. Nous pouvons également contrôler le gradient de température en contrôlant la température initiale de la glace, de l’eau et de l’air. Cependant, la conductivité thermique sera différente dans le cas de l’air et de l’eau.
convection
La convection est un phénomène qui se produit dans les fluides tels que les liquides et les gaz. Il consiste en le mouvement de particules fluides qui sont à une température vers des zones où la température est différente. La convection peut être naturelle si le mouvement est généré par des différences de densité causées par des différences de température, ou elle peut être produite mécaniquement comme lorsque des aliments chauds sont soufflés.
Le rayonnement
Enfin, chaque surface émet de l’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Par exemple, le feu est capable de nous chauffer avec sa luminosité même si nous n’entrons pas en contact avec l’air chaud qui émane par convection.
Alors, où la glace fond-elle le plus rapidement ?
Nous avons maintenant tous les outils pour répondre à cette question. Pour simplifier au maximum l’analyse, on va faire en sorte de garder constantes toutes les variables qui peuvent affecter la fonte de l’eau et de ne garder que celles qui dépendent directement de l’air et de l’eau.
On part de deux glaçons identiques faits d’eau pure, de même forme et de même taille ; les deux sont à la même température initiale. On plonge l’un dans un grand récipient avec de l’eau à la même température que l’air, et on place l’autre sur une surface isolante thermique en contact avec l’air. Nous faisons toute l’expérience dans une pièce fermée où il n’y a pas de courants d’air, minimisant toutes les formes de transfert de chaleur sauf la conduction.
De plus, la conduction sera déterminée principalement par le matériau du milieu ; dans les deux cas, le gradient de température sera essentiellement le même et la surface de contact sera la même, donc le taux de transfert de chaleur, et donc la vitesse à laquelle la glace fondra, dépendra principalement de la conductivité thermique de la moitié.
Comme l’eau conduit la chaleur presque 30 fois plus vite que l’air, la glace fondra plus rapidement dans l’eau .
Facteurs supplémentaires à prendre en compte
Il convient de noter que ce qui précède ne représente pas une analyse approfondie et détaillée du problème. Par exemple, le fait que la glace flotte sur l’eau n’est pas pris en compte, donc une partie de celle-ci sera exposée à l’air et ne sera pas en contact thermique avec l’eau.
La même chose se produit avec la glace qui est dans l’air, car elle doit nécessairement reposer sur une surface, donc l’une de ses faces ne sera pas en contact avec l’air mais avec cette surface. Si la conductivité thermique de cette surface est supérieure à celle de l’air, la glace absorbera plus rapidement la chaleur à travers cette surface, fondant plus rapidement.
De plus, lors de la fusion, il augmente la surface de la glace fondue (c’est-à-dire l’eau) en contact avec la surface, aggravant l’effet.
Malgré cela, on peut estimer que ces effets seront mineurs par rapport à la grande différence entre les conductivités thermiques de l’eau et de l’air.
Les références
- Connor, N. (2020, 8 janvier). Quelle est la conductivité thermique de l’eau et de la vapeur ? – Définition . Extrait de https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-la-conductividad-termica-del-agua-y-el-vapor-definicion/
- Laplace.us. (sd). Propriétés de l’eau . Extrait de http://laplace.us.es/wiki/index.php/Propiedades_del_agua
- MINEDUC. (2019). Transfert de chaleur . Extrait de https://www.mineduc.gob.gt/DIGECADE/documents/Telesecundaria/Recursos%20Digitales/3o%20Recursos%20Digitales%20TS%20BY-SA%203.0/CIENCIAS%20NATURALES/U9%20pp%20210%20transferencia% 20of%20heat.pdf
- Instruments de test thermique. (2020, 28 août). Matériaux thermoconducteurs et applications courantes . Extrait de https://thermtest.com/latinamerica/materiales-termicamente-conductores-y-aplicaciones-comunes
