Quelle est la force d'une goutte d'eau qui gèle.

[apzo11]

Bonjour,
Je pars du principe que cette force n'est pas nulle et qu'elle ne peut pas être infinie; donc elle se situe entre les deux.
Existe t-il des formules??
-----

[coussin]

Votre question n'a pas de sens...
Une force est exercée par quelque chose sur quelque chose. Quel sont le "par" et le "sur" dans votre question?

[papillon-de-nuit]

J'essaie de traduire..

Je suppose que la question est :

Quelles sont les limites (en terme de "pression" P) qui permettent à un volume d'eau V, en gelant, de détruire un récipient, le "contenant", de même volume V, en considérant ce dernier comme hermétique et blindé...

C'est ça la question ?

[coussin]

Ah oui, j'avais même pas pensé à ça
Si c'est ça, difficile à dire... C'est bien sûr parce la glace a une densité moindre que l'eau... C'est dû à une réorganisation des molécules d'eau pour former les structures cristallines particulières de la glace... Donc, in fine, ça doit être de la répulsion Coulombienne (qu'est-ce que ça peut être d'autre...) Mais évaluer la force, j'ai pas d'idée.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Dynamix]

Salut
J' ais utilisé il y a peu cette formule dans un tout autre domaine et je l' ais noté sur mes tablettes .
ΔP= K.ΔV/V0
ΔP = Augmentation de pression (c' est ce qu' on cherche)
ΔV = Variation de volume entre phases liquide et solide
V0= volume initial (liquide)
K = Module d'élasticité isostatique de la glace . La grosse inconnue !
K n' est pas le module de Young .

[papillon-de-nuit]

Si telle est la question , je ne suis pas spécialiste.

L'eau est un cas particulier, (pas le seul je pense) le volume augmentant lorsqu'elle se solidifie et.. formant des cristaux.
En règle générale, (pour les autres corps) c'est l'inverse : il y a dilatation lors de la montée en température et de la liquéfaction.

Je ne me souviens que de la vieille formule pour les gaz (parfaits) : PV=nRT

Ici, c'est plus compliqué, mais je pense que la pression exercée dépend fortement de la température et que la courbe n'est pas linéaire.
Se refroidir, c'est "perdre de l'énergie" et paradoxalement, péter le récipient blindé , c'est "en demander"..

Je suppose qu'il doit être possible d'empêcher la glace de se former avec un blindage d'enfer, le contraire me surprendrait (pression qui tendrait vers l'infini).
A confirmer...

Encore une fois je ne suis PAS spécialiste dans ce domaine, mais je suis un peu curieux aussi (je n'ai pas d'exemples qui viennent à l'esprit)

[triall]

C'est peut -être ce qu'on appelle la chaleur latente de fusion de l'eau 333kj/kg selon wikipédia !
On a une énergie, pas une force ..

[apzo11]

oui la supposition de papillon de nuit est la bonne et traduit bien ma question.

Par exemple:
On prend bout de tuyau de cuivre 10-12 qui doit avoir une pression de service de quelques bars disons 5 bars et qui doit péter à disons au pif 20 bars. On met de l'eau dedans le tout à -20°C ça gèle il pète: conclusion la poussée est supérieur à 20 bars.

même expérience avec un tuyau résistant à 200 bars....

Même expérience avec un tuyau résistant à 1000 bars...

Donc il est préférable de parler de pression que de force.
merci à tous pour vos réponses.

[papillon-de-nuit]

C'est peut -être ce qu'on appelle la chaleur latente de fusion de l'eau 333kj/kg selon wikipédia !
On a une énergie, pas une force ..

Hum, oui, l'énergie "empruntée" à l'eau pour devenir de la glace, mais, il me semble que ce raisonnement est valable à pression constante.

A haute, pression (puisque celle-ci va augmenter dans ce cas de figure), c'est différent et beaucoup plus compliqué :

Les transformations de la glace sous haute pression

[...] que nous venons de présenter se complique très fortement sous haute pression. Actuellement on dénombre plus de 11 formes cristallines de glace haute pression. Ces formes ont été progressivement découvertes par G. Tammann à partir de 1900 (solides qu’il a noté II et III) puis par P.W. Bridgman, de l’Université d’Harvard, en 1912 d’abord (glaces V et VI), puis en 1937 (glace VII). Contrairement aux deux glaces précédentes, tous ces cristaux sont plus denses que l’eau liquide correspondante : à l’équilibre eau-glace, ils chutent au fond des enceintes haute pression ! Dans la plupart de ces glaces, le désordre des atomes d’hydrogène est semblable à celui décrit pour la glace ordinaire Ih. Par contre, en abaissant leur température, on peut obtenir des solides haute pression complètement ordonnés, avec des sites fixes pour les atomes d’hydrogène.

Source : http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosea...physGlace.html

On peut noter trois faits remarquables obtenues sous haute pression.

1- En comprimant la glace Ih à basse température (77 K), on observe vers 1 GPa une transformation vers un solide amorphe. A cette température, on peut ensuite à l’inverse détendre ce solide amorphe et le récupérer à la pression atmosphérique. Ce solide, de densité élevée par rapport à celle du solide BD précédent, est noté HD, pour haute densité. En chauffant ensuite cet amorphe HD, on retrouve l’amorphe BD précédent, puis la glace Ic puis la glace Ih.

2- D’autres glaces formées sous haute pression peuvent aussi être détendues à pression atmosphérique, mais ceci doit toujours être fait à basse température. Elles sont alors stables, ce qui permet de les étudier de manière approfondie à l’aide de diverses méthodes comme la diffraction X et la diffraction de neutrons.

3- Enfin, en comprimant très fortement la glace Ih (ou VI), on peut atteindre la situation où la distance oxygène-oxygène entre deux molécules d’eau voisines est approximativement égale à deux fois la longueur de la liaison de valence oxygène-hydrogène au sein d’une molécule d’eau. L’hydrogène est alors également partagé entre les oxygènes de deux molécules voisines. Cette situation commence à apparaître vers 60 GPa et est bien caractérisée vers 100 GPa. Dans ce cas, on n’a plus de molécules H2O. Le solide est devenu un oxyde d’hydrogène au même titre que Cu2O est un oxyde de cuivre. On a atteint la glace notée X dite symétrique, dont la structure, dite cuprite, est identique à celle de Cu2O.

On en apprend tous les jours...

[papillon-de-nuit]

Re

oui la supposition de papillon de nuit est la bonne et traduit bien ma question.

Même expérience avec un tuyau résistant à 1000 bars...

Donc il est préférable de parler de pression que de force.

triall a quand même bien fait de mettre l'accent sur l'énergie (le travail que peut fournir l'eau en devenant glace).
D'après ce que je comprends, si tu as 1 l d'eau au total, et que ça gèle, ta canalisation doit pouvoir résister à un travail de 333000 joules, l'équivalent de ce qu'il faut fournir pour soulever une masse de 3300 tonnes à 1 cm du sol...c'est juste..énorme !

D'ailleurs, dans l'exposé ci-dessus, en termes de pression, pour modifier la structure classique de la glace, on parle de 100 GPa, soit 1 Megabar !
Bonjour la canalisation !

[Dynamix]

On prend bout de tuyau de cuivre 10-12 qui doit avoir une pression de service de quelques bars disons 5 bars et qui doit péter à disons au pif 20 bars. On met de l'eau dedans le tout à -20°C ça gèle il pète: conclusion la poussée est supérieur à 20 bars.
même expérience avec un tuyau résistant à 200 bars....
Même expérience avec un tuyau résistant à 1000 bars...

Continue ...
La pression est en théorie de l' ordre de 8000 bars avec K = 9.10⁹ Pa
Rien y résiste .

[apzo11]

Je continue:
même expérience avec un tuyau qui tient 10000 bars: résultat ça tient donc la pression est de disons 8000 bars.

Donc 8000 bars quelque soit le volume d'eau: une goutte ou 10 litres.
8000 bars en considérant que le contenant ne change absolument pas de volume?

[Dynamix]

8000 bars en considérant que le contenant ne change absolument pas de volume?

C' est la pression pour que la glace garde le même volume que l' eau .
Ton contenant ne va pas se dilater beaucoup par rapport à la glace à moins de le faire en plastique .
Une bouteille en plastique résiste mieux qu' une bouteille en verre ou même en acier .

[apzo11]

C'est sûr que si le tuyau est en plastique le volume change et la pression reste identique.

Peut-on savoir où tu as trouvé le chiffre de 8000 bars?

[papillon-de-nuit]

A 1 GPa, (10000 bars) le solide est amorphe (pas de cristaux) et HD, on ne peut plus parler d'augmentation linéaire de volume ou de pression comme en BD, ce n'est plus de la glace "traditionnelle", et je crois que la formule de Dynamix n'est plus valable

PS : HD pour haute densité

[Dynamix]

Le calcul était théorique pour donner une idée .
Au delà de 100 bars la température de solidification diminue .
A 2000 bars , l' eau ne sera solide qu' en dessous de -22° et si la pression augmente , la densité augmente brutalement .
Donc le pression ne pourras pas dépasser 2000 bars .
C' est bien suffisant pour casser un tuyau rigide , surtout s' il est bouché aux deux extrémités .

[papillon-de-nuit]

Le calcul était théorique pour donner une idée .
Au delà de 100 bars la température de solidification diminue .
A 2000 bars , l' eau ne sera solide qu' en dessous de -22° et si la pression augmente , la densité augmente brutalement .
Donc le pression ne pourras pas dépasser 2000 bars .
C' est bien suffisant pour casser un tuyau rigide , surtout s' il est bouché aux deux extrémités .

C'est cohérent.
Le graphe est très explicite sur Wiki : http://fr.wikipedia.org/wiki/Glace

[apzo11]

Merci pour vos réponses qui montrent les forces engendrées.
Si j'ai bien compris voici l'expérience théorique/ On prend un volume d'eau emprisonné dans un bloc d'acier très résistant et on met l'ensemble dans une enceinte à -10°C.
que se passe t-il?
la glace prend
la pression monte
vers 1000 bars la glace fond, la pression diminue...la glace reprend???
Ou y a t-il un état stable?

[f6bes]

Bjr apso11,
On exploite ce phénoméne pour briser des roches ultra résistances, mais avec des "produits" fait pour !.
D'ailleurs la nature sait trés bien faire cela.

Bonne journée

[papillon-de-nuit]

Bonjour,

Si j'ai bien compris voici l'expérience théorique/ On prend un volume d'eau emprisonné dans un bloc d'acier très résistant et on met l'ensemble dans une enceinte à -10°C.
que se passe t-il?
la glace prend
la pression monte
vers 1000 bars la glace fond, la pression diminue...la glace reprend???
Ou y a t-il un état stable?

Si on regarde le graphe, à -10°C, la pression sera effectivement aux alentours de 1000 bars, (si la déformation du récipient n'est pas trop importante pour pouvoir atteindre cette limite..auquel cas on sera en dessous..)
L'eau sera alors à l'état solide, point, pas de raison que ça change.

Ce qui t'induis en erreur je pense, c'est la "petite bosse" qui vient au-dessus sur le graphe (le retour de la courbe) où l'eau peut redevenir effectivement liquide si l'on grimpe encore en pression.
Mais cette situation ne peut être engendrée que par une augmentation "artificielle" de la pression, pas par le gel "naturel" de la glace qui fait "naturellement monter la pression jusqu'à l'état stable aux alentours de 1000 bars mais pas au-dessus..

[papillon-de-nuit]

aux alentours de 1000 bars mais pas au-dessus..

Dans le cas où on est à - 10° C j'entends bien.
Si on descend encore en température, la pression est capable de monter comme dit plus haut à environ 2000 bars, mais jamais au-dessus de façon "naturelle" puisque la glace devient amorphe.Dynamix l'a d'ailleurs très bien expliqué.

Au delà de 2000 bars, sur le graphe, c'est des pressions engendrées artificiellement, pas naturellement puisque la densité décroît et que cette tendance à décroître pour la densité irait à l'encontre d'une augmentation de pression.

Ce qu'il faut retenir, pour ta question, avec un contenant considéré comme "indéformable", et un gel "naturel" à une température arbitrairement basse, c'est la limite 2000 bars environ.
Pour la "force" engendrée, tu n'as plus qu'à multiplier par la surface étudiée...
1cm², c'est 2 tonnes, donc c'est pas mal, je connais pas de canalisations qui résistent à ça

[triall]

Bonjour à tous , d'après ce que j'ai compris, transformer de l'eau en glace apporte de l'énergie, que le frigo doit contrer .
Pour 1 litre d'eau c'est donc 330000 joules .. soit 91 watt-heure , c'est la mesure que l'on connait plus (1 watt-heure=3600 joules) .
C'est vrai que le processus met 1 heure disons pour se faire dans un frigo , donc au final ce n'est pas si grand .
Je parle d'une bouteille ouverte qui peut se répandre .
Cette énergie se montre aussi sous forme mécanique qui ne joue pas si la bouteille est ouverte donc .
Il me semble alors que cette énergie (91 watt-heure) ne se manifeste pas toute dans sa forme mécanique:
Quand l'eau commence à geler, elle a déjà , peut -être ,évacué une partie de ses 91 watt-heure avant de pousser dans une bouteille (ou tube ..) fermée ..
Je crois que c'est cette énergie calorifique apportée lorsque l'étage supérieur d'un cumulus congestus gèle , en réchauffant l'air autour de lui, celui ci continue de monter ....
A l'inverse lorsque des glaçons fondent dans de l'eau , par exemple, ils pompent de la chaleur à l'eau qui de ce fait ne se refroidit pas autant qu'elle devrait et reste à 0° au lieu de tendre vers -20° , température des glaçons ...
Ai -je bien compris le processus, ou dis -je des conneries ?..
Finalement, moi aussi , en pédalant pendant 1/2 heure je peux faire exploser n'importe quel tuyau en y mettant de la pression avec une pompe ou monter 3300 tonnes de 1 cm de hauteur(énergie pour monter 100kg de 300 m , une ballade à vélo sur un petit col !)

[Dynamix]

Si tu pousses de la glace dans une chambre avec un piston , quelque chose me dit qu' il va y avoir un dégagement de chaleur non négligeable qu' il conviendrait d' inclure dans tes calculs .
Et concernant ton vélo , Pascal aurait fait éclater un tonneau avec un simple verre d' eau

[triall]

@dynamix, hé oui, il était fort, ce Pascal .Malheureusement , la rumeur (encore elle) dit que son "show" avec le tonneau s'est mal terminé quand il a voulu montrer le phénomène avec du vin , le spectacle du vin se rependant par terre ayant beaucoup moins de succès !
Blague à part , dans mon message précédent #22 , j 'écris

A l'inverse lorsque des glaçons fondent dans de l'eau , par exemple, ils pompent de la chaleur à l'eau qui de ce fait ne se refroidit pas autant qu'elle devrait et reste à 0° au lieu de tendre vers -20° , température des glaçons ...

Et bien non ça ne va pas ! Si l'eau ne se refroidit pas autant comme je l'indique c'est que de la chaleur est amené, or c'est le contraire , le passage solide>liquide demande de l'énergie ...
Par contre le raisonnement semble marcher dans l'autre sens, on sait que lors du passage eau liquide>eau solide, la température reste à 0° , ne descend pas en dessous , même s 'il y a -20° alentours , car ce passage liquide>eau solide apporte de l'énergie , et "empêche" le liquide-solide de descendre en dessous de 0° pendant ce passage.
Alors je ne sais pourquoi, la glace fondante passage solide liquide fait stationner le processus à 0° aussi : peut être peut on dire , la glace monte rapidement à 0°, puis stationne sans monter plus haut car on lui "pompe" de l'énergie (??).
Sinon, oui

Si tu pousses de la glace dans une chambre avec un piston , quelque chose me dit qu' il va y avoir un dégagement de chaleur non négligeable qu' il conviendrait d' inclure dans tes calculs .

Pour notre exemple c'est une partie au moins des 91 watt-heure qui poussent et produisent de la chaleur , la question que je me pose c'est si c'est la totalité des 91 watt-heure, ou une partie ?
Le fameux exemple est celui du patin qui avec sa pression énorme sur la glace, la fait fondre, permettant de glisser avec grâce(démonstration en privé et sur demande !)...

[apzo11]

Bonjour Papillon,
Oui j'ai bien compris que la glace ne faisait pas le yoyo et restait glace.
J'ai bien ma réponse environ 2000 bars et la précision me convient, on n'est pas à quelques dizaines près.

Mais dépenser très peu d'énergie pour geler quelques grammes d'eau et récupérer un tel mouvement dévastateur, ne possède t-il pas un rendement bien supérieur à 1.

[papillon-de-nuit]

Mais dépenser très peu d'énergie pour geler quelques grammes d'eau et récupérer un tel mouvement dévastateur, ne possède t-il pas un rendement bien supérieur à 1.

Je ne sais pas si on peut parler de rendement, l'énergie "dévastatrice" ne sort pas de nulle part.
Elle était présente dans l'eau avant la destruction du contenant, et elle est "reprise" par la glace à l'environnement quand la glace fond.
C'est ce qui explique ce "stationnement" à 0° C sous 1 bar auquel a fait référence triall dans son précédent message.
Ce qu'elle a donné, il faut qu'elle le reprenne.

Oui j'ai bien compris que la glace ne faisait pas le yoyo et restait glace.

Attention, yoyo, c'est l'administrateur de ce forum, et je ne sais pas s'il est de glace

[triall]

Bonjour apzo , si je peux me permettre de m' immiscer dans votre post avec papillon, j 'aimerais signaler que lorsque l'on fait passer un corps de 10 à 20° , par exemple, il ( c'est nous)faut lui fournir de l'énergie , tandis que si un corps descend de 20° à 10 il cède au milieu extérieur ( c'est nous) de l'énergie , cela en théorie .
Car effectivement, un frigo dépense de l'énergie pour descendre la température de divers aliments , mais il ne devrait pas , en théorie les aliments nous en donnent pour passer de 20° à 10 , par exemple.
Ainsi , pour notre "transformation" liquide>glace, non seulement elle apporte de l'énergie, mais l'abaissement de la température en donne aussi au milieu extérieur, on gagne à tous les étages .
En fait, je crois, il faut prendre ce passage liquide<>solide<>gaz comme une réaction chimique à part entière , avec une endothermie dans un sens et exothermie dans l'autre sens...

[coussin]

Le frigo dépense de l'énergie pour maintenir un non-équilibre thermique avec la pièce dans laquelle il est.

[papillon-de-nuit]

En fait, je crois, il faut prendre ce passage liquide<>solide<>gaz comme une réaction chimique à part entière , avec une endothermie dans un sens et exothermie dans l'autre sens...

C'est tout-à-fait ça (en remplaçant la partie soulignée par physique)