surfusion vs agitation thermique

[invite0e4ceef6]

bonjours,

j'arrive pas a concilier l'idée d'agitation thermique et celle de surfusion(eau par exemple) ??

je me dis, si pour changer d'etat l'eau a zero degré a besoin d'une perturbation (mouvement préssion) c'est que celle-ci est si stable et calme, que les molécules ne vibre plus et ne bouge plus.. si elle bougeait les point de liaison se formerait de suite.. or ce n'est pas le cas, il est necessaire d'ammorcer la transition de phase.

toutefois l'eau pure, même a zero degré et jusqu'a -39° une température, donc un taux d'agitation thermique non négligeable..

or si les molécule s'agite, se cogne, font les malignes, hop ça devrais cristaliser..

de quelle nature est donc le "calme" moléculaire de la surfusion?? puisqu'il ne peut-etre thermique??

merci d'avance pour vos réponses, ça doit-etre tout bète mais je trouve rien sur wiki ou ailleurs sur ce problème..
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[inviteca4b3353]

de quelle nature est donc le "calme" moléculaire de la surfusion?? puisqu'il ne peut-etre thermique??

La plupart des transitions de phases dont tu parles sont ce qu'on appelle des transitions du premier ordre. En gros elles sont caractérisées par le fait qu'elles se déroulent via nucléation de bulles. Il y a coexistence des deux phases durant la transition (intérieur et extérieur des bulles). A la température de la transition, naivement obtenue en regardant à quelle température la nouvelle phase est moins énergétique que l'ancienne, le système n'a aucune énergie libre pour se transformer (l'agitation thermique est prise en compte à ce stade). Or la formation d'une bulle nécessite une quantité d'énergie non négligeable pour créer une interface de séparation avec le reste du système. En diminuant, la température sous la température critique (0°C pour l'eau par exemple), le système acquiert un surplus d'énergie libre, lui permettant de se transformer. Ainsi lorsque cette exces permet à une bulle de stabiliser son interface, la transition peut avoir lieu. C'est ce qui se passe si le système est tres bien isolé de perturbations extérieures, on doit le placer alors en surfusion pour pouvoir nucléer des bulles stables et changer de phase.
Dans ce cas l'énergie nécessaire provient de l'agitation thermique que le système récupère suite à l'abaissement de température.

Si on perturbe le système depuis l'extérieur, l'énergie ajoutée depuis l'extérieur dans le système peut lui permettre d'amorcer la transition sans avoir recours à un abaissement de température. L'état de surfusion peut egalement etre évité si le système à un nombre non négligeable de défauts (des poussières ou des minéraux dans l'eau dans ex). Ainsi des bulles pourront plus facilement se créer en s'accrochant sur les défauts. L'interface avec l'extérieur sera de surface plus réduite nécessitant ainsi moins d'énergie pour se stabiliser.

[yahou]

Ce qui empêche l'eau surfondue de cristalliser, ce n'est pas le fait que les molécules n'arrivent pas à ce mettre en position faborable pour créer des liaisons (est-ce bien ce que tu suggère ? c'est en tout cas ce qui semble se dégager de ton message).

C'est un problème de tension de surface. Lorsqu'il se crée un petit morceau de glace (à une température inférieure à 0°C), il se passe deux choses :
- à l'intérieur du cristal, les molécules s'organisent de façon optimales, et cela fait baisser l'énergie du système d'une quantité proportionnelle au volume du cristal.
- à la frontière du cristal, les molécules d'eau appartenant au liquide et au solide intéragissent dans une configuration non optimale, et celà coûte de l'énergie, en quantité proportionnelle à la surface de contact entre les deux milieux.

Le rapport volume/surface d'un cristal de taille R est proportionnel à R. En conséquence lorsque le cristal naît (R est petit), les effets de surface dominent et il n'est pas stable. A l'inverse, si R est grand, les effets de volume dominent (si on est en dessous de 0°C). Pour que le système cristallise dans son ensemble, il faut qu'au moins un germe de cristal atteigne la taille critique au delà de laquelle il est stable.

Je ne sais pas quelle est la taille critique dans le cas de la glace, mais on conçoit que créer ce germe critique est plus compliqué que d'aligner quelques molécules pour créer quelques liaisons. En fait la perturbation doit avoir une énergie au moins égale à celle du germe au moment le plus dévaforable, et j'imagine que ça fait plus que les fluctuations thermiques.

Je reste un peu vague sur les ordres de grandeur parce que je ne les connais pas, mais compte tenu de tout ça il ne me paraît pas choquant qu'il puisse exister de l'eau surfondue malgré l'agitation thermique.

edit : croisement avec karibou

[invite0e4ceef6]

merci pour les réponses, je comprend pas tout tout, mais il semblerais que cela ne soit pas si genant que cela cette fameuse absence de calme thermique dans l'etat de surfusion.

c'est un peu étonnant a première vue, mais si il est necéssaire d'avoir des niveau d'énergie necessaire pour compenser les pertes du a la cristalisation elle-même.. les micro-cristaux qui pourrais survenir sont donc dissous par la partie non-encore cristalisé.

[A voir en vidéo sur Futura]

[inviteca4b3353]

mais il semblerais que cela ne soit pas si genant que cela cette fameuse absence de calme thermique dans l'etat de surfusion.

Encore une l'énergie d'agitation thermique ne peut pas amorcer la transition, car cette quantité d'énergie n'est pas "libre" dans le système. Ce dernier ne peut en utiliser une partie pour former des interfaces et des bulles. Pourquoi ? Parce que la température est fixée depuis l'extérieur. En abaissant la température, on permet au système de récupérer une partie de cette agitation thermique pour démarrer sa transition.

[mbochud]

Bonjour,

Un équivalent de la surfusion est la sous ébullition.
En faisant le vide au-dessus d’une colonne de mercure, la pression atm fait monter le mercure à 760mm et environ 10m pour une colonne d’eau. (Au sommet de la colonne d’eau il ne subsiste qu’environ 20 torr de vapeur d’eau).
J’ai réussi une fois à faire monter de l’eau à 12,5m (eau distillée et longuement dégazée). Cette situation est très instable et retombe tout d’un coup à 10m.

Un tuyau transparent (également dégazé sous vide) est rempli complètement (d’eau bouillie sous vide) (sans la moindre bulle d’air).
L’extrémité ouverte est dans un récipient d’eau à la pression atm. et l’autre extrémité étanche.
On fait monter progressivement l’extrémité étanche, sans aucun à-coups .
J’ai obtenu 12,5m stable (plusieurs minutes). Un minuscule choc avec un crayon sur le tuyau a soudainement fait retomber la colonne à 10m.
(Malheureusement je n’ai pas réussi a reproduire cela ?)

Question ; Quelle était la pression absolue au sommet de la colonne de 12,5m ?) – 25 kPa !

[inviteca4b3353]

J’ai réussi une fois à faire monter de l’eau à 12,5m (eau distillée et longuement dégazée). Cette situation est très instable et retombe tout d’un coup à 10m.

Il ne s'agit pas ici d'une transition de phase, c'est donc tres différent.

J’ai obtenu 12,5m stable (plusieurs minutes).

Je peux comprendre que l'eau monte plus haut pour la meme pression extérieure, parce que tu utilises de l'eau dégazée, donc le vide doit etre meilleur au dessus de la colonne (est-ce vrai ?). Par contre j'ai du mal à comprendre pourquoi ce n'est pas stable. En tout cas c'est tres différent d'une transition de phase et du problème de surfusion.

Quelle était la pression absolue au sommet de la colonne de 12,5m ?) – 25 kPa !

Je doute que cette réponse soit la bonne...

[invite0e4ceef6]

arf, cette histoire de bulle, franchement je vois pas trop ce que ça viens faire le dedans cher karibou..

je me dis: surfusion etat physique de la molécule d'H2o.. celle-ci etant dans un calme profond, un etat stable sur le plan energétique, ce calme des molécules peu de mouvement propre
un peu comme d'un chateau de sable une fois que le sable est sec ('aime bien l'image) le sable reste en l'etat. mais au moindre choc celui-ci s'écroule et redevient comme liquide. jusqu'a equilibre c'est a dire que les grains ait trouvé une position d'équilibre le plus simple, soit en tas

et si les molécules d'eau n'avait aucun mouvement en surfusion, rien qui leur permette justement de changer de phase c'est à dire que les angles des liason de valance soit au bon endroit?? l'eau est une molécule un peu zarbi.

et un choc une compréssion, un mouvement brusque permet la aussi la transition de phase.

chépas je trouverais cela beaucoup plus simple de les poser comme sans agitation propre, parcequ'a -20 degré la moindre impureté ou le moindre mouvement déclanche cette recombinaison des molécules d'eau..

je comprend que cela soit plus complexe, mais à ce point ??

[mbochud]

Normalement à 10m de haut la pression devient inférieure à la pression partielle de vapeur d’eau (25 torr à la température ambiante) et l’eau au sommet se met à bouillir (en surface). Mais dans les conditions précédentes la formation de la première bulle de vapeur ne se fait pas.

Si l’eau n’est pas dégazée ,dès que l’on baisse la pression , il se forme des bulles d’air (adsorbées dans l’eau) et il est impossible de dépasser 10m.

« Je doute que cette réponse soit la bonne... »
La pression absolue d’un gaz ne peut être négative, c’est évident.
Mais dans le cas d’un fluide ?

[inviteca4b3353]

arf, cette histoire de bulle, franchement je vois pas trop ce que ça viens faire le dedans cher karibou..

C'est une caractéristique universelle des transitions de phases du premier ordre, comme l'ébullition, la fusion, etc.... certes la bulle n'est pas toujours semblable à une bulle de gaz comme dans une casserole d'eau bouillante.

je me dis: surfusion etat physique de la molécule d'H2o..

Ce n'est pas un état physique en soit. On parle de surfusion d'une manière générale quand le système se trouve dans une phase qui n'est pas celle énergétiquement favorable pour une température, une pression et un volume donné.

celle-ci etant dans un calme profond, un etat stable sur le plan energétique, ce calme des molécules peu de mouvement propre
un peu comme d'un chateau de sable une fois que le sable est sec ('aime bien l'image) le sable reste en l'etat. mais au moindre choc celui-ci s'écroule et redevient comme liquide. jusqu'a equilibre c'est a dire que les grains ait trouvé une position d'équilibre le plus simple, soit en tas

Je ne vois pas ou tu vas chercher cette idée de calme profond. à 0°C l'agitation thermique est quand meme importante, ce n'est pas comme si rien ne bougeait. Ton analogie avec le sable s'écroule ( ) à partir de la.

et si les molécules d'eau n'avait aucun mouvement en surfusion

Les mouvements d'agitations sont fixées par la température, tu ne peux donc pas affirmer cela.

chépas je trouverais cela beaucoup plus simple de les poser comme sans agitation propre, parcequ'a -20 degré la moindre impureté ou le moindre mouvement déclanche cette recombinaison des molécules d'eau..

je comprend que cela soit plus complexe, mais à ce point ??

ben oui c'est pas toujours simple la physique...mais c'est comme ca.

[inviteca4b3353]

Mais dans le cas d’un fluide ?

Un gaz est un fluide au meme titre qu'un liquide. donc idem.

Mais dans les conditions précédentes la formation de la première bulle de vapeur ne se fait pas.

D'accord je vois mieux, cette bulle ne se fait pas parce que l'eau a été dégazée donc il est difficile d'amorcer la nucléation d'une bulle de vapeur d'eau sur une micro bulle de gaz dissous. ET également parce que la montée s'est faite tres lentement. Du coup en frappant sur le tube, tu perturbes la surface et l'eau bout, la pression au dessus du liquide augmente et ton niveau chute à 10m. C'est bien ca ?

donc je rectifie ce que j'ai dit, il s'agit bien d'un effet de "surfusion" (ou sous ébullition)

[mbochud]

Malheureusement je n’ai pas trouvé de références sur cela.
Et comme je l’ai dit, pas facile à reproduire ,mais ça m’a tout de même impressionné !

[mbochud]

Un gaz est un fluide au meme titre qu'un liquide. donc idem.

Si j’avais placé un manomètre de pression (bien rempli d’eau) au sommet (étalonné en pression absolue) ,il aurait indiqué une valeur négative !

[inviteca4b3353]

Si j’avais placé un manomètre de pression (bien rempli d’eau) au sommet (étalonné en pression absolue) ,il aurait indiqué une valeur négative !

J'ai du mal à saisir la signification d'une pression de fluide négative... La pression, ce sont des chocs sur une paroi. Au pire, il n'y a pas de chocs, donc une pression nulle, mais négative, ca n'a pas de sens. Si tu as fait le vide au dessus de ta colonne d'eau, tu devrais mesurer une pression tres faible mais pas négative, pourquoi affirmes tu le contraire ?

[mbochud]

À 1m de haut la pression au sommet est 90kPa
À 8m de haut la pression au sommet est 20kPa
À 10m de haut la pression au sommet est 0kPa
À 12.5m de haut la pression au sommet est -25kPa

[inviteca4b3353]

À 1m de haut la pression au sommet est 90kPa
À 8m de haut la pression au sommet est 20kPa
À 10m de haut la pression au sommet est 0kPa
À 12.5m de haut la pression au sommet est -25kPa

désolé, mais ca ne m'explique rien de ton raisonnement. qui doit etre faux quelque part parce qu'un fluide ne peut pas avoir une pression (absolue) négative. tu pourrais t'expliquer ?

[mbochud]

Supposons un tube de 1cm2 de section (c’était environ le cas).
La force à la base (0m) est bien le poids de l’eau.
Quand la colonne à 10m de haut, cette force est de 10N soit 10N/cm2 soit 100kpa
Quand la colonne à 12,5m , cette force est de 12,5N soit 12,5N/cm2 soit 125kpa.
Mais la pression à la base dans le contenant d’eau est bien 100Pa absolu (Patm.) Donc la pression dans le contenant est bien la même qu’à la base de la colonne, (c’est 2 points voisins à la même hauteur )
Donc si on a bien 100kPa à la base de la colonne , c’est qu’on a – 25kPa au sommet.

[mbochud]

Aussitôt que la colonne de 12,5m casse pour retomber à 10m ,la pression du sommet tombe immédiatement à 0kPa ( 20 torr de vapeur d’eau ou 2,6kPa plus précisément.)

[mbochud]

Une pression négative pour un liquide n’est pas si choquante si on fait appel aux forces de Van der Waals (ou forces de capillarité).
La force de Van der Waals n’a évidemment pas d’effets sur les gaz aux pressions normales.
Donc pas de pression négative pour les gaz.

C’est vrai que ce n’est ni courant ni facile a produire une pression négative.

À plus tard , salut

[inviteca4b3353]

Une pression négative pour un liquide n’est pas si choquante si on fait appel aux forces de Van der Waals (ou forces de capillarité).

Ce n'est plus une pression à ce moment, ce sont des tensions de surface. C'est différent. Evidemment on peut décrire ces tensions de surfaces de manière effective en considérant des pressions négatives. Par contre de tels effets ont difficilement pu se produire avec une section de 1cm^2 et de l'eau (encore que ca demanderait confirmation).

Donc je trouve quand meme cela anormal.

[invite0e4ceef6]

Je ne vois pas ou tu vas chercher cette idée de calme profond. à 0°C l'agitation thermique est quand meme importante, ce n'est pas comme si rien ne bougeait. Ton analogie avec le sable s'écroule ( ) à partir de la.

entre deux clope et un café en surfant sur le net poqwoi??

je trouvais juste bizare cet etat apparent de calme de l'eau, et l'idée d'agitation thermique, a vue de nez ça colle pas ensemble..
ta dernière réponse etait tip-top mille merci.
mais bon pendant que j'y suis puisque l'entierté du phénomène me rebuttait, l'agitation thermique comment sait-on qu'elle existe, qu'est-ce qui fonde l'idée que les atomes sont de plus en plus exité avec la température(j'ai le tour de 2, 3 sites, mais ils sont pas super explicite sur l'origine de ce concept)

A+

[inviteca4b3353]

l'agitation thermique comment sait-on qu'elle existe, qu'est-ce qui fonde l'idée que les atomes sont de plus en plus exité avec la température

Parce que par définition la température est l'énergie cinétique moyenne associée à cette agitation (à kB pres, kB etant la constante de Boltzmann).
C'est la définition moderne de la température, héritée de la mécanique statistique qui permet de comprendre comment les comportements microscopiques déterminent les comportements macroscopiques.
Avant Boltzmann, le concept de température était un peu abstrait, c'était simplement la grandeur qui permettait de caractériser la quantité de chaleur que deux corps pouvaient échanger. Mais il n'y avait aucun lien avec le microscopique (on ne connaissait pas encore l'atome, et la matière est un milieu parfaitement continu à l'époque de
Carnot).

[mbochud]

Parce que par définition la température est l'énergie cinétique moyenne associée à cette agitation

Oui mais il faut préciser pour les gaz« énergie cinétique moyenne de translation… »
Cela exclut l'énergie cinétique associée aux rotations et vibrations pour les autres gaz que monoatomique.


Pour en revenir à notre pression négative, je vais être plus clair.
1) La pression d’une colonne de liquide est g h
2) Une colonne de 12,5m d’eau génère une différence de pression entre la base et le haut de 125kPa.
3) Si la base est à 100kPa ,le sommet ne peut être qu’à 100k – 125k soit -25kPa
4) Un capteur de pression absolue mesurera -25kPa (sinon quoi d’autre ?)

La difficulté technique est dans la qualité du dégazage.
Ce n’est pas facile d’extraire tout l’air de l’eau.
Dans mon cas l’eau a été préalablement bouillie à la pression atm. (L’air est peu soluble à plus de 70 degrés). Ensuite elle est placée rapidement sous vide (ce qui la refroidit très vite) et reste 12h dans son tuyau sous une pression de moins de 20 torr (vapeur d’eau surtout).
Il faut ensuite vérifier l’absence de toute micro bulles d’air.

[invite58549cb8]

Bonjour,

j'avais déjà entendu un peu parlé de cet effet...
(il faudrait que je remette la main sur l'article)

1. Je vais dans le sens de Karibou Blanc, à savoir qu'il me semble que les expériences étaient menées dans des tubes capillaires très fin (d'une section bien inférieure à celle que tu annonces)

2. C'est une question de ma part une pression absolue négative, pour moi je peux traduire ca, par l'eau subit une tension! On sort du cadre "incompressibilité, etc." Du coup, je ne pense pas qu'on puisse déduire la pression de ta méthode mbochud

Cordialement,

[invite0e4ceef6]

merci karibou et les autres aussi
A+

[inviteca4b3353]

Oui mais il faut préciser pour les gaz« énergie cinétique moyenne de translation… »
Cela exclut l'énergie cinétique associée aux rotations et vibrations pour les autres gaz que monoatomique.

Il existe un théorème en physique statistique (le théorème central limite) qui s'énonce comme suit : l'énergie (d'agitation) thermique vaut kB.T fois le nombre de degrés de liberté. Ca inclut translations, rotations, vibrations. Donc la température est bien une moyenne de l'énergie cinétique de tous ces mouvements.

à savoir qu'il me semble que les expériences étaient menées dans des tubes capillaires très fin

C'est ce qui me semblait également.

[invite0617f33f]

Je vois parfaitement ce que veut dire mbochud. Dans le cas classique, lorsque la colonne est à 10m, on est en équilibre avec la pression atmosphérique (100 kPa de chaque côté).

Si l'eau monte à 12,5m, la pression exercée par la colonne d'eau est de 125 kPa. Dans la mesure où la pression atmo à côté est toujours de 100 kPa, d'où sortent les 25 kPa ?

Les deux hypothèses qui me viennent à l'esprit sont :
- la pression exercée par la colonne d'eau est en fait de 100 kPa. Problème, ça force l'eau à avoir à ce moment une densité de 0,8. Or un liquide est sensé être incompressible.
- la pression en haut du tube est de -25 kPa. Problème, une pression ne peut pas être négative.

Mes connaissances en physique étant plutot limitées, je ne vois pas d'autre hypothèse. Si quelqu'un pouvait éclairer ma lanterne...

[inviteca4b3353]

Mes connaissances en physique étant plutot limitées, je ne vois pas d'autre hypothèse. Si quelqu'un pouvait éclairer ma lanterne...

La section de la colonne est petite, permettant à la tension superficielle de l'eau d'entrer en jeu de manière non négligeable. Cette tension de surface sur les parois "aide" la pression atmosphère à pousser l'eau jusqu'à 12,5m (comme dans les arbres). Il n'y donc pas de pression négative mais simplement une force supplémentaire.

Si la seule solution que je vois, maintenant ce système devrait etre stable, je n'arrive toujours pas à comprendre ce qu'a observé mbochud, ie la chute à 10m en tapant sur le tube...

[invite50625854]

Les 2.5m d'eau "en trop" ne pourrait il pas venir d'un autre phénomènes que seulement des pressions ?
Car si en dégazant l'eau, elle garde à peu prés la même masse volumique, alors la limite des 10 mètres => (), reste la même.
Idée1 : des frottements secs qui empèche l'eau de descendre, une petit coup permet de la faire descendre...

Idée2 : Capilarité...

En tout cas, en faisant le bilan des pression, si 100kPa s'applique en bas, et que le liquide est à équilibre, c'est que l'on a 100 kpa en haut. Que le tube fasse 1-10-100 mètres que ce soit de l'eau du mercure... Et pas -25kPa.

Cette valeur négative obtenue pour la pression ne montre qu'une chose : que le modèle que tu utilise n'est pas assez complexe, il ne prends pas en compte tout ce qui se passe dans l'expérience. Mais en conclure que la pression est négative n'est pas juste.

C'est du moins mon avis.
Cordialement,

Edit : Croisement Karibou Blanc

[invite58549cb8]

Si la seule solution que je vois, maintenant ce système devrait etre stable, je n'arrive toujours pas à comprendre ce qu'a observé mbochud, ie la chute à 10m en tapant sur le tube...

J'en déduit que son expérience tel que décrite laisse supposer un équilibre métastable. Mais de tels équilibres doivent être possibles, dans des situations de confinement (c'est juste une intuition)

Cela dit, même si je n'arrive pas à mettre la main sur ce fichu papier,
j'ai trouvé ca:
Computer Simulation of Nucleation in a Liquid under Tension
V. G. Badakov and S. P. Protsenko

Bon il y a au moins des gens que ca intéresse de faire des simu en dynamique moléculaires sous des conditions de pression négative, et de traction...
J'ai pas trop le temps là, mais je vais tacher de creuser la question...
notamment pour les manips...
car ce point a fortement réveillé ma curiosité