Bonjours à tous les Zéros ,

Je suis un élève de première S et comme tout élève de cette classe je passe l'épreuve des TPE. Mes camarades et moi avons choisi un sujet qui n'est pas très repandu :"la surfusion de l'eau"

Notre problématique est la suivante :

Après de longues recherches sur le net, je n'ai trouvé que peu d'informations qui souvent se répète, ou se contredise, mis à part de nombreuses vidéos aussi impressionnantes les unes que les autres mais qui ne m'apportent pas une grande aide. Je n'ai trouvé aucun bouquin qui traite de ce sujet
J'en appelle donc à votre aide. J'ai de nombreuses questions qui portent à la fois sur notre sujet en lui même et à la fois sur les TPE en générales.

D'après mes recherches je sais que la Surfusion est un exemple d'état métastable, notamment dans notre cas, celui de l'eau. L'eau reste liquide sous 0°C.

"La surfusion est l'état d’une matière qui demeure en phase liquide alors que sa température est plus basse que son point de solidification. C'est un état dit métastable, c'est-à-dire qu'une petite perturbation peut suffire pour déclencher abruptement le changement vers la phase solide." Wikipedia.

Néanmoins sur de nombreux sites, il est dit que la surfusion ne marche qu'avec un liquide pur et c'est là ou mes premières interrogations surviennent. D'après mes info je sais que lorsqu'une particule entre en contact avec ce liquide ou reçoit un choc, une vibration, celui-ci se glace instantanément. Sur de nombreuses vidéos, il est dit qu'il faut mélanger de l'acétate de sodium avec de l'eau. D'autres disent qu'il faut mélanger du sel, d'autre disent que de l'eau distillé suffit.

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Je vous communique donc notre plan :



Est-ce que notre problématique et notre plan sont cohérent selon vous ?

Pour ce qui est de l'explication au niveau moléculaire, c'est simple je n'ai trouvé aucune information qui expliqueraient ce phénomène. J'avais l'idée de comparer les positions des molécules d'eau lors de l'état liquide et solide et montrer comment se comportent les molécules lorsqu'une particule entre en contact avec de l'eau en surfusion.

Je n'ai trouvé aucun protocole précis pour mettre en œuvre cette surfusion de l'eau mis à part celui-ci : lien. J'ai donc mis de l'eau distillée dans une bouteille usagée, puis je l'ai mise 2heures au congélateur, bilan un échec l'eau s'est solidifiée complètement.
Si certain d'entre vous ont des protocoles précis avec des quantités et des informations sur la surfusion de l'eau se serait vraiment sympa de les partager avec nous.


Je remercie tous ceux qui ont passé du temps à lire mon message. J'espère que certains d'entre vous auront certaines réponses à mes questions. Je suis vraiment à court de solutions et nous commençons réellement à nous mettre en retard. J'envisage sérieusement de prendre un nouveau sujet beaucoup plus abordable.

Ami Zéros nous avons besoin de votre aide!

La problématique est bancale. Inutile de faire une petite phrase d'introduction, arrange-toi pour qu'elle s'accorde avec le reste pour obtenir une seule question (ou à la limite deux, mais qui se complètent). De plus, une problématique à laquelle on peut répondre par oui ou par non n'est pas une bonne problématique. Préfère un « comment », un « pourquoi » ou « en quoi », etc.

Okay, je te remercie pour ta réponse je vais essayer d'y remédier.

J'ai vu ça sur de l'eau de source en bouteille (je me souviens plus de la marque). Je mettais la bouteille dans le congélateur. Et quand je la sortais quelques heures plus tard l'eau n'avait pas gelé. Mais quand j'ouvrais la bouteille PAM tu te retrouves avec un bouteille de glace pillé en quelques seçondes.

Grosso modo, c'est dû à la chaleur latente (ton eau se change pas à 0 degré comme ça pouf pouf, t'as un certain domaine de métastabilité).
Et en effet, il te faut un corps pur ou en tout cas un corps qui soit métastable dans un certain dT.
Ca vient de tes germes de solidification qui sont trop petits et non stables dans un milieu biphasé : ton liquide est plus chaud que tes germes qui apparaissent, donc ils redeviennent liquide jusqu'à ce que la température (l'enthalpie libre en fait) soit suffisante pour que tes germes atteignent un rayon critique, leur permettant d'exister thermodynamiquement parlant et de provoquer la cristallisation du liquide avoisinant.
Plus t'as de germes, plus ça cristallise vite, et inversement. Donc dans un certain domaine, tes germes sont instables et l'eau reste liquide.
C'est vulgarisé à mort.

Bref, si tu veux approfondir vraiment, cherche du côté de la thermodynamique chimique (en particulier les courbes d'enthalpie libre et éventuellement les diagrammes binaires).

Pour l'explication microscopique, il te suffit de regarder du coté des tensions superficielles des précipités.
En gros, le principal obstacle à la germination va être le surplus d'énergie demandé par la surface Liquide/Solide. A partir de là, tu peux faire une démonstration assez facile, en considérant que sans impureté, la germination homogène est sphérique (pour minimiser l'énergie de surface).

Fais attention à l'eau salée qui ne gèle qu'à une vingtaine de degrés en dessous de zéro si ma mémoire est bonne, ce n'est pas le même phénomène.

Il faut de l'eau relativement pure, ça se voit très facilement pour l'ébullition, si tu fais chauffer de l'eau au micro-onde, quand tu met un sucre dedans ça fait plein de bulles : le sucre amorce l'ébullition qui n'avait pas commencé avant.

Alors que si tu mets avant de la faire chauffer des petits cailloux dans l'eau et ben le fait de mettre un sucre dedans ne va rien faire : les cailloux( = impuretés) régulent l'ébullition.

Même principe pour la solidification, les impuretés la facilite.

La problematique ne va pas, car elle ne suggere pas vraiment la surfusion : tu peux repondre à la question plus facilement en utilisant le fait que la température de fusion dépend de la pression. Il faudrait une problematique qui impose presque la surfusion AMHA.

Je suis un peu perdu avec toute ces nouvelles notions, étant donné que je suis un élève de première certains termes restent un mystère pour moi même après avoir fait des recherches. Je vous remercie néanmoins pour vos précieux conseils, notamment pour la problématique. Si certains d'entre vous pourraient m'apporter une explication plus simple de la surfusion de l'eau notamment au niveau moléculaire se serait sympa.

bonjours, j'ai aussi choisi ce sujet pour mes TPE de 1ere S est j'aimerai savoir si tu a fini par trouver des réponse au niveau moléculaire car je n'ai aucune explication
je connait plein d'éléments que tu a exprimé dans tes sous problématiques mais je n'ai aucune idée de ce qui se passe a l’échelle moléculaire.

merci d'avance:)

En fait pour faire simple la surfusion est permise grâce à la présence de gaz dissous dans l'eau. Cela va créer une agitation entre les molécules qui va avoir le même effet que la chaleur. Ainsi en diminuant progressivement la température de l'eau on augmente la présence de gaz dissous et cela permettra la surfusion.
Lorsque l'on mélangera l'eau ou qu'on mettra un solide dedans on va libérer ces gaz et donc celle-ci gèlera.

J'espère que ceci va vous aider. Si vous voulez j'ai trouvé ça sur : http://www.physique-quantique.wikibis.com/surfusion.php

merci cela m'a aider a comprendre la "chose" qui me bloquait cependant j'ai une question:
Ma problématique est elle bonne ?
Le phénomène de la surfusion se passe t'il dans un milieu acide? basique?ou neutre? et pourquoi?

Perso je pense que ça n'influe pas sur ce phénomène qui n'est que physique. Mais je suis pas sûr

après de multiple expérience j'ai trouvé que cela ne marche pas en milieu acide car il y a une réaction acido-basique entre l'acide et l'eau et donc cela intervient sur le phénomène car il ne fonctionne pas voici l'équation de la réaction:
CH3COO- + Na+ + H30+ + Cl- -> CH3COOH + Na+ + Cl- + H2O

Bonjour flo,

Lors de mon TPE je n'ai pas mentionné ou traité l'acidité. Si tu préfères la surfusion de l'eau est un état métastable de l'eau, mais je ne pense pas que l'acidité influe sur ce phénomène. La surfusion de l'eau fait intervenir la notion de "tension superficielle", je te conseil d'aller te renseigner de ce côté là.

Sinon pour ton oral, si tu veux leur en mettre plein la vue, prends un bouteille d'eau minérale neuve, mets la au congélateur pendant environs 2 heures avant ton passage. Puis présentes la au jury, et demandes leur de la secouer. L'eau se gèlera instantanément dans la bouteille sous leur yeux. Mais tu dois surement avoir déjà testé.

En espérant ne pas t'avoir répondu trop tard,

Shep

Citation : Shep

-Faut-il alors que le liquide soit pur pour que l'eau reste en état de surfusion ?
-Une solution d'eau plus du sel peut-elle être considérée comme un liquide pur?

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- Pas forcément mais cela facilite la zone de surfusion. Les mélanges binaires ont une zone de surfusion plus restreinte.
- Bien sur que non. H2O et NaCl c'est pas tout à fait un composé pur.

Merci pour tout vos renseignements, mais ce sujet date de l'année dernière, j'ai depuis passé l'épreuve et eu mes résultats M'enfin j'espère que les quelques info donnés serviront à d'autre.

Bonjour,

vous avez choisi un sujet intéressant mais difficile à votre niveau si on veut sortir du purement descriptif
quelques pistes à creuser ( en fonction d'un niveu de connaissances de 1ère que je ne connais pas bien, en thermo en particulier ) pour la partie la moins simple, celle des mécanismes locaux dont vous envisagez de parler.
J'ai fait au plus court ( donc trés simplificateur) mais en introduisant un peu de vocabulaire spécifique qui peut vous guider pour une recherche sur le Net où on trouve des choses,... mais souvent assez dufficiles je le reconnais

Contrairement aux gaz, l'arrangement des atomes au niveau d'un liquide n'est pas aussi cahotique que cela.Il existe entre atomes un ordre à courte distance ( intermédiaire entre gaz et solides) qui tend à reproduire ponctuellement en son sein une structure cristalline). L'agitation thermique rend cet ordre à courte distance d'autant plus instable que l'on est loin de la température de solidification.
Lorsque on se rapproche de cette température les micro volumes à arrangements plus réguliers deviennent plus nombreux . Ces phénoménes que l'on appelle plus savamment "fluctuations de phase" ont une probabilité de plus en plus grandes de devenir des germes ( terme consacré)de la future cristallisation.
La stabilisation et la croissance future d'un germe dépend des équilibres énergétiques locaux. ( la grandeur thermodynamique qui gouverne leur formation est l'énergie libre G ou potentiel thermodynamique , son expression est H-TS, H enthalpie,S entropie , T température) .
Retenons que le germe se développera si sa croissance provoque une diminution de G ( système plus stable). Dans la réalité le bilan énergétique doit aussi tenir compte de l'énergie superficielle liquide/ germe. On trouve sur le Net des calculs simplifiés pour des germes supposés sphériques.
La taille minimale pour qu'un germe formé dans des conditions thermiques données puissent se développer est appelé taille critique.
Il faut évidemment considérer la réalité d'un point de vue statistique,l'énergie nécessaire à la formations de germes critiques est liée aux fluctuations locales de l'énergie des atomes. Il y a donc une certaine distribution de taille critique associées à ses fluctuations locales.

Dans un corps parfaitement pur, cette taille critique peut être assez grande pour que Tf - Ts atteigent plusieurs dizaines de degrés avant que le moteur de la solidification la variation de G soit suffisant
La présence d'impuretés diminue le phénoméne de surfusion . On parlera de germination hétérogéneen opposition à la précédente dite spontannée .
En effet les germes se forment alors préférentiellemnt sur le site des impuretés .
Mais si on a compris ce qui précéde, on voit que les impuretés abaissant la surfusion doivent satisfaire au moins deux conditions.
- être solide à la température du liquide pour être des sites solides préexistants
- avoir une énergie d'interface ( tension superficielle avec le germe favorable vis à vis de celles entre germe et liquide.

D'autres facteurs entrent en ligne de compte pour la valeur de Ts ( vitesse de refroidissement, convexion dans le liquide, gradients de températures...) La compréhension de ces influences peut se faire sur la base des mécanismes de germination mais cela va je crois un peu trop loin.

Le phénoméne dit de MPEMBA est un exemple de l'influence de la turbulence sur la surfusion. L'eau chaude se solidifie plus vite que la froide ( sous certaines conditions ) parce que le gradient thermique entre paroi et centre plus important dans le récipient chaud crée des turbulences empéchant la surfusion!)

remarque
Attention la modification de la température de solidification par dissolution dans l'eau d'autres composants n'a rien à voir avec la surfusion. Cela relève de l'étude du comportement des olutions binaires.