La surfusion

[xfabou]

Bonjour,
je suis actuellement étudiant en CPGE (classe préparatoire aux grandes écoles). Durant ces 2 années,je dois réaliser l'équivalent d'un TPE, et j'ai choisi comme sujet le phénomène de surfusion de l'eau. L'une des expérience que je souhaite effectuer serait de filmer le phénomène. Pour cela, j'ai fait l'acquisition d'un tube de Plexiglas mesurant 50 cm et d'un rayon de 80mm (contenance d'environ 2.8L). Cependant, je me suis rapidement rendu compte que l'expérience se montrerait plus difficile à effectuer que ce que je ne pensais... En effet, le premier problème est de boucher les 2 extrémités du tube (l'une des extrémité se doit d'être démontable afin de pouvoir réitérer l'expérience en cas d'échec). Je me suis donc tourner vers un bouchon utilisé en plomberie pour boucher la première extrémité, mais c'est ensuite que cela se corse... Pour boucher la 2eme extrémité, 2 options s'offrent à moi : ou trouver de quoi créer un membrane assez solide pour contenir l'eau, ou mettre un deuxième bouchon semblable au premier mais dévissable et mettre dans le tube de quoi faire un effet tampon quant à la pression (sachet plastique dans lequel j'ai mis du coton, qui,lors du gèle de l'eau, va tout bonnement d'écraser sous l'effet de la pression). En effet, lorsque l'eau va geler, son volume va augmenter, je ne peut donc pas avoir un récipient entièrement rigide..
L'option de la membrane, me semble bien plus prometteuse pour réaliser l'expérience, mais je ne vois pas avec quoi je pourrais la faire et la fixer ...
Je suis conscient que l'expérience est réalisable avec l'aide d'une simple bouteille, cependant je souhaiterai également suivre l'évolution de la vitesse de la réaction sur la plus grande distance possible afin de savoir si le front de propagation accélère par exemple.

Si quelqu'un a une idée pour résoudre mon problème,je suis preneur !
-----

[RomVi]

Bonjour

On peut trouver des bouchons en liège ou en silicone de ce diamètre un exemple ici : https://store.mocap.co.uk/mocap_fr/s...=SMSP2750/3500
Pour ne pas risquer de problème avec l'augmentation de volume de la glace il suffit de ne pas remplir totalement.

[xfabou]

J'a bien peur que le bouchon en liège possède trop d'aspérité pour que le phénomène de surfusion puisse se faire (étant donné que les aspérités ont tendance à déclencher le gèle). Cependant, l'idée du bouchon en silicone me semble plutôt bonne, je ne pensais pas que des bouchons de cette taille puissent exister en vente pour les particuliers ! Quant au fait de ne pas entièrement remplir totalement le récipient, ma peur reste toujours la même : le fait qu'il y ait de l'air ne va-t-il pas aussi augmenter les chances de déclencher la réaction ?Bon, je pense qu'il ne me reste plus qu'a tester !

En tout cas merci du conseil !

[RomVi]

En réalité l'augmentation de volume est très faible, car il n'y a qu'une petite partie de l'eau qui va véritablement prendre en glace lors de cette surfusion, de l'ordre de 5 à 10%.
Le problème ne se présentera que si le récipient est oublié trop longtemps dans le congélateur.

[A voir en vidéo sur Futura]

[xfabou]

En réalité, je pensais plutôt utiliser un mélange réfrigérant (sel+glace) afin d'éviter au maximum les vibrations pouvant êtres engendrées par le congélateur et accélérer le phénomène.
Quant au problème du changement de volume, je ne te cache pas que ton message me disant que la variation de volume ne serait pas trop importante me rassure grandement !

Merci pour les informations !

[RomVi]

Je ne suis pas sur que ça fonctionne aussi bien avec un mélange sel et eau, mais pourquoi pas.
Avant de passer à la "grosse" échelle tu peux faire un test avec une petite quantité (10ml suffisent, et c'est plus rapide), il suffit de mesurer l'évolution de la température du liquide. Si il y a surfusion tu verra une petite remontée de la température de quelques degrés suivie d'un pallier.

[LPFR]

Bonjour.
À votre place, je commencerais par faire la manip « bête » avec une bouteille en plastique partiellement remplie d’eau du robinet. Pour voir combien de temps il faut la laisser dans votre congélateur et ce qu’elle fait quand vous la sortez, l’agitez, etc.
Regardez les manips sur Youtube.
Au revoir.

[xfabou]

J'ai bien pris en compte vos réponse, et cela a parfaitement fonctionné avec le mélange eau+glace. Les tests faits dans mon congélateur ont cependant échoué (peut-être le moteur du congélateur induit des vibrations, ou l'un de mes proches a claqué la porte du congélateur trop fort !..) ! Je vais à présent tâcher de réaliser l'expérience à grande échelle dans le liquide réfrigérant en espérant que cela fonctionne !

PS : y a-t-il un moyen calculatoire de connaître approximativement le temps que mettra le liquide à se refroidir ? En connaissant le volume d'eau, la surface de contact avec le liquide réfrigérant et sa température ? (l'une de mes plus grande interrogation quant à ce calcul est de savoir si je dois tenir compte de la chaleur latente de fusion ou non, étant donné que l'eau ne gèle pas lors du refroidissement.. D'un autre coté, je sais que de l'énergie sera dégagée lors de la réaction, je reste donc dans le doute)

Encore merci à tous !

[RomVi]

L'expérience a échouée parce que le liquide est simplement resté trop longtemps. Pour que ça marche il y a 2 solutions : Soit on porte l'eau à une température légèrement inférieure à 0°C, et elle restera liquide indéfiniment, soit on place le récipient dans le congélateur, mais il faut le sortir à temps, car en dessous d'une certaine température, qui dépend principalement de la pureté de l'eau et de l'état de surface du récipient, la glace se formera.

Il faut commencer par mesurer la température lors d'un 1er cycle, observer à quelle température et au bout de combien de temps la prise en glace se produit (visible par une remontée), puis refaire l'expérience et sortir le récipient avant.

PS : y a-t-il un moyen calculatoire de connaître approximativement le temps que mettra le liquide à se refroidir ? En connaissant le volume d'eau, la surface de contact avec le liquide réfrigérant et sa température ?

Oui, il existe un moyen, mais ce n'est ni simple ni précis, il est préférable de faire un suivi de la température.

[xfabou]

Je prends note, je prends note !

Quant au calcul, même si ce dernier se montre imprécis, il me permettrait de d'enrichir mon dossier à présenter en fin d'année, donc même un calcul très approximatif peut se montrer intéressant . Je commence tout juste le chapitre de thermodynamique, je pense donc que ce n'est plus qu'une question de temps avant que je n'obtienne les outils me permettant de faire ce calcul. Bien sûr, je suis conscient que les calculs théoriques sont souvent erronés car on ne prends pas tous les facteurs en compte (comme le dit mon prof de physique "on n'est pas dans le monde des bisounours !").

Merci encore pour vos conseils avisés !

[RomVi]

Le calcul de la durée est basé sur la loi de Newton : La puissance perdue par l'objet lors de son refroidissement est directement proportionnelle à la différence de température entre l'objet et le milieu. Un coefficient lie ces 2 grandeurs.

Ce coefficient dépend de la "facilité" avec laquelle l'objet va pouvoir échanger avec le milieu. Toute la difficulté est de déterminer ce coefficient car il dépend d'un grand nombre de paramètres : Surface de contact de la base de l'objet, surface totale, nature du récipient etc

Pour commencer tu peux jeter un œil à cette page : http://ressources.univ-lemans.fr/Acc...mo/newton.html