Sublimation des glaçons dans congélateur à quelle pression atmosphérique ?

[DDVD69]

Bonjour,
j'ai toujours lu que la densité de la glace était inférieure à celle de l'eau liquide (les glaçons flottent dans l'eau.. et dans le pastis qui est peut être plus dense ). Or un bac à glaçon bien rempli mis dans le congélateur à - 18° voit petit à petit le "niveau" des glaçons baisser. J'ai cru lire que cela était dû à la sublimation d'une partie du glaçon (passage direct de l'état solide à l'état gazeux).
Mais je croyais que cette sublimation n'était possible que sur Mars par exemple, avec une pression atmosphérique moindre que celle de la Terre. Quel phénomène physique permet cette sublimation des glaçons à la pression atmosphérique normale dans un congélateur (si c'est elle la responsable de la diminution des glaçons). Ou bien peut-on imaginer que si l'on n'ouvre pas la porte, la pression baisse avec le froid et permet cette sublimation ?

Cordialement.
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[gts2]

Bonjour,

Ce qui compte est la pression partielle de vapeur d'eau et pas la pression de l'air.
C'est le même problème pour l'évaporation de l'eau liquide, une flaque d'eau s'évapore même à une température inférieure à 100°C.

[mach3]

Quel phénomène physique permet cette sublimation des glaçons à la pression atmosphérique normale dans un congélateur (si c'est elle la responsable de la diminution des glaçons).

C'est le même phénomène qui fait que l'eau s'évapore au contact de l'air à température et pression ambiante.

Que ce soit des glaçons dans un congélateur ou de l'eau dans un verre, il s'agit d'un échange entre une phase condensée contenant uniquement de l'eau avec une phase vapeur contenant certes un peu d'eau, mais surtout majoritairement d'autres gaz.

La phase condensée émet spontanément des molécules d'eau vers la phase vapeur, de façon permanente. Suivant la phase condensée (liquide, glace I, glace II, etc il y a une quinzaine pour l'eau), la température, et éventuellement d'autres aspects comme l'état de surface, le flux de molécule d'eau vers la phase vapeur est plus ou moins grand. A l'inverse les molécules d'eau présentes dans la phase gazeuse qui heurtent la surface de la phase condensée ont une certaine probabilité de rebondir dessus ou à l'inverse de s'y retrouver incorporées. Il y a donc un flux constant de molécule d'eau de la phase gazeuse à la phase condensée, modulé par la température (si les molécules frappent plus fort elle rebondissent plus souvent qu'elles sont incorporées) et la pression (si les molécules frappent plus souvent, le flux est plus important), et éventuellement l'état de la surface.

Quand le flux entrant est égal au flux sortant, on a équilibre.

Quand la phase gazeuse n'est constituée que de vapeur d'eau, un tel équilibre ne s'obtient que pour des couples pression/température précis. Par exemple à la pression ambiante, si la température est supérieure à 100°C, le flux sortant est plus important que le flux entrant, donc l'intégralité de l'eau liquide va passer sous forme vapeur, et inversement si la température est inférieure à 100°C.

Quand la phase gazeuse contient d'autres choses en plus de l'eau, l'équilibre se retrouve modulé par la concentration en eau de la phase vapeur, ce qui s'appelle aussi sa pression partielle. Pour des conditions de température/pression identiques, il y aura moins de molécules d'eau dans la phase vapeur, donc un flux entrant plus faible qui ne pourra pas compenser le flux sortant qui n'est pas affecté par la composition de la phase gazeuse. Il faudra une pression plus élevée et/ou une température plus faible pour rétablir l'équilibre, et plus la pression partielle en eau sera faible, plus il faudra augmenter la pression ou baisser la température pour maintenir un même équilibre. A température et pression ambiante, il faut une pression partielle en eau d'environ 23mbar pour maintenir en équilibre de l'eau liquide. Si la pression partielle en eau est inférieure, l'eau liquide s'évaporera totalement.

Si on met de l'eau liquide ou de la glace en présence d'air sec, ils vont s'évaporer/se sublimer jusqu'à ce que l'air soit saturé d'humidité. En d'autres termes, il faut que l'air contiennent suffisamment d'eau pour qu'un flux entrant compense le flux sortant qui lui existe quoiqu'il arrive. A l'inverse de l'air trop humide va former des gouttelettes ou des cristaux de glace (comme la rosée du matin, la buée sur les fenêtres, le givre, ou même le brouillard, la pluie ou la neige).

m@ch3

[DDVD69]

Je vous remercie beaucoup. Cher Mach 3 vous semblez assez pointu sur le sujet (à l'inverse de moi qui suis bibliothécaire et qui doit répondre à une question d'un lecteur). Vous êtes prof de physique ou physicien ?

Cordialement,

DDVD69

[A voir en vidéo sur Futura]

[Sethy]

J'ajoute également que les nouveaux congélateur sont souvent équipés de dispositifs d'anti-condensation / anti-givre.

Ce qui implique qu'ils sont "forcément" équipés d'un système de condensation pour éliminer une partie de la vapeur d'eau contenue dans l'air emprisonné dans le congélateur. Autrement dit, la pression partielle est "artificiellement" réduite ... ce qui entraine une plus grande "sublimation" puisque le déséquilibre évoqués par mach3 est encore amplifié.

C'est peut-être une bonne idée d'enfermé, une fois la glace prise, le bac à glaçon dans un sac plastique fermé.

[RomVi]

Bonjour

La réponse est pointue, mais je ne suis pas sûr qu'elle soit très pertinente au vu de la personne qui pose la question, aussi je me permet de reformuler un peu différemment.
La 1ere chose à comprendre est la notion d'air saturé : En fonction de la température l'air peut contenir une quantité plus ou moins grande d'eau sous forme vapeur (voir le diagramme en lien ci dessous)
https://fr.trotec.com/images/grundla...er-fr-0ca6.jpg

Par exemple à -20°C l'air peut contenir au maximum 0.9g de vapeur d'eau par mètre cube (1000 litres) d'air.
Un glaçon placé dans un air saturé ne va pas évoluer, par contre si on se trouve en dessous de 0.9g un peu de glace va s'évaporer. Dans un milieu confiné cette évaporation va continuer jusqu'à revenir à cette limite de 0.9g/m3, puis l'évaporation cessera.

On remarquera au passage qu'un congélateur est justement un milieu confiné. Le volume typique est de quelques centaines de litres, donc on ne devrait pas perdre plus de quelques dixièmes de grammes. Mais il faut aussi savoir que dans un congélateur la température n'est pas homogène ; l'échangeur qui produit le froid est quelques degrés en dessous du reste.
A son contact la vapeur d'eau qui se trouve dans l'air précipite sous forme de glace, l'air devient plus sec, le glaçon peut à nouveau s'évaporer pour remonter l’hygrométrie de l'air, et le cycle continue indéfiniment.

Pour la même raison des légumes placés dans un frigo finissent par sécher, et le compartiment freezer placé en haut se recouvre de glace petit à petit.

[Centaury]

Bonjour, lorsque la glace se sublime à pression atmosphérique "normale", passe-t-elle temporairement par la phase liquide avant de se transformer en vapeur ?

[RomVi]

Bonjour

Pas si la température est en dessous de 0°C

[Centaury]

Ce qui compte est la pression partielle de vapeur d'eau et pas la pression de l'air.
C'est le même problème pour l'évaporation de l'eau liquide, une flaque d'eau s'évapore même à une température inférieure à 100°C.

La pression de l'air ne compte vraiment pas ? Pourtant dans le vide spatial la glace se sublime en étant chauffé par le soleil parce que la glace se trouve en dessous de son point triple ce qui ne permet pas à l'eau de rester liquide.

[mach3]

(Re)lire le message #3

m@ch3

[Centaury]

Si j'ai bien compris, pour la glace d'eau dans l'espace celle-ci se sublime même à seulement un degré au-dessus du zéro absolu parce que l'espace n'est pas saturé en vapeur d'eau.