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A zéro degré Celsius, l'eau gèle. Que nenni !

11265 lectures / 12 commentaires12 juillet 2010, 14 h 32

La science nous a menti, il faut revoir les livres de physique/chimie, l'eau ne gèle pas toujours à 0°C ! Outre l'indécence de ce phénomène pour le corps scientifique, il pourrait y avoir un impact sur les consommations énergétiques de nos industries et en particuliers des fonderies.

L'âge de glace

Comment se forme la glace ? L'eau est un composé chimique constitué de deux atomes d'hydrogène pour un d'oxygène. L'eau, ou H₂0, prend de nombreuses formes, et dans le cas qui nous intéresse ici, elle peut se muer en glace, quand la température tombe sous le zéro fatidique, enfin pas toujours... La glace peut avoir plusieurs origines : celle qui provient de l'atmosphère apparaît le plus souvent sous forme cristallisée, d'aiguilles de glace, de grésil(1) ou de grêle. La glace peut également se former au sol, ainsi apparaissent le verglas, la gelée blanche ou les plaques de glace. Même la surface de la mer peut être prise par les glaces pour donner une banquise ; celle-ci, brisée et tourmentée par le vent, les marées et les vagues, peut prendre un aspect chaotique (le "pack"), à ne pas confondre avec les icebergs qui proviennent du glissement dans la mer des glaciers terrestres.

Bref, depuis le collège, nos professeurs de Physique n'ont cessé de nous affirmer, via des formules empiriques, que la matière existait sous trois formes distinctes (solide, liquide et gazeuse) et que la température de vaporisation ou de cristallisation de l'eau dépendaient directement de la pression atmosphérique. Traduction : au sommet de l'Everest, l'eau bout à environ 68°C contre 100°C au niveau de la mer. Et l'eau gèle en principe à 0°C, mais pas toujours... Le comportement de la matière ne dépend pas que de la température ou de la pression. Un nombre considérable d'autres paramètres tels que l'agitation thermique, la présence d'impuretés, les champs magnétiques, etc., ont été sciemment omis dans les équations standards par soucis de clarté et de simplicité... mais aussi par manque de connaissances.

A 0°C, l'eau ne gèle pas toujours, quèsaco ?

Dans des conditions particulières, l'eau peut se présenter sous forme surfondue, ou état de « non gèle », dans un intervalle de température allant de 0°C à -39°C. Le phénomène est connu depuis bien longtemps, mais récemment, des chercheurs du CNRS de Grenoble conjointement avec ceux du Commissariat à l'Energie Atomique ont réussi à décrypter une des facettes de ce mystère(2). Ils ont démontré grâce à un alliage d'or et silicium en fusion, auquel ils avaient réussi à abaisser le point de cristallisation, que la surfusion s'expliquait en partie par un réagencement géométriques des atomes.

Cette découverte réalisée en passant l'alliage aux rayons X(3), a montré que les atomes, au lieu de former des hexagones, se regroupent en pentagones. Il s'agit alors d'un état dit métastable(4), c'est-à-dire qu'une petite perturbation peut suffire pour déclencher abruptement le changement vers la phase solide. Ce phénomène permet de conserver l'eau sous son état liquide bien en deçà du seuil critique du 0°C. La présence de gaz dissous contribue également au maintien d'un état liquide. Leur présence crée une agitation moléculaire ayant le même effet que la chaleur. Ce phénomène explique qu'une bouteille de soda mise au congélateur (entre -5 et -8°C) reste liquide même après plusieurs heures. Par contre si la bouteille est ouverte, du gaz s'échappe et tout le contenu gèle en quelques secondes.

Intérêts pour l'environnement ?

Outres les nouvelles perspectives d'étude, il y a également des intérêts écologiques. En effet, à terme il serait envisageable de conserver, dans les process(5) industriels, les métaux en fusion à des températures plus basses et donc de réaliser des économies d'énergie ! Prenons l'exemple des fonderies. Dans les fonderies sont employés une vaste gamme de technologies et d'équipements, mais une importante consommation d'énergie est le dénominateur commun :

(NB : Selon le type d'alliage de métal coulé, la technologie utilisée et l'âge de l'usine, la consommation d'énergie peut varier énormément ; source : Blog technique Fonderie)

Exemples de consommations énergétiques pour de l'aluminium
Equipements/technologies	MJ/Kg
Four de fusion	2,465
Four de maintien	0,493
Machine à coulée sous pression et ses périphériques	2,5
Eau de refroidissement	0,65
Parachèvement	1,2

A ces consommations s'ajoutent des pertes électriques et au final la consommation s'élève à un total de 9,7 MJ par kilogramme d'aluminium produit. Au cours de la dernière décennie, le type d'énergie utilisé a connu une évolution marquée vers l'électricité et le gaz naturel. Les fondeurs d'aluminium ont favorisé l'utilisation du gaz naturel pour la fusion, quant aux producteurs de fer, ils ont favorisé les fours électriques à induction. La hausse rapide des prix du gaz naturel en 2000 et la déréglementation du marché de l'électricité ont rendu évidente la nécessité de s'attaquer aux questions d'efficacité énergétique. Dans la production de fonte grise, la fusion compte pour 66 % de la consommation d'énergie. Dans les aciéries, elle est de 50 % et dans les fonderies de laiton et de bronze, le chiffre s'élève à 38 %. Pour pallier cette inflation économique, le recours à l'oxygène est désormais acquis dans les fonderies car les métaux fondent d'autant plus vite que l'air est enrichi en oxygène. Ce phénomène permet d'augmenter la capacité des fours de fusion, de réduire les consommations de combustible et d'abaisser le volume des émissions de gaz à effet de serre. La protection de l'environnement et les économies d'énergie sont d'autant plus importantes que la fusion s'effectue à l'oxygène pur.

La concurrence mondiale, la pénurie programmée de l'or noir, la prise de conscience environnementale sont telles que les entreprises actuelles ne peuvent plus se permettre de mésestimer les techniques conçues pour réduire leurs coûts et respecter l'environnement, mais restent toutes les autres entreprises. Le phénomène de surfusion pourrait être un atout supplémentaire dans cette course aux gaspillages. Par ailleurs, la surfusion, manifestation un peu « contre-nature », du moins telle que la science nous l'a inculqué depuis notre enfance, pourrait également avoir des répercutions non négligeables aussi en terme de sécurité. La surfusion perturbe en effet notre sécurité aussi bien dans les airs qu'en mer. Les avions la côtoient dans les nuages, où une accumulation de glace est particulièrement dangereuse car elle diminue leur portance et peut provoquer un risque de décrochage. Sur l'océan, par temps très froid et venteux, les embruns peuvent geler sur la structure des embarcations. Cette situation peut compromettre leur stabilité et les mettre en danger. La surfusion n'a donc pas fini de faire parler d'elle…

Notes

1. Le grésil est une précipitation formée de pluie totalement gelée après être passée dans une couche épaisse d'air sous zéro. Les grains de glace ne dépassent pas 5 mm de diamètre, sont généralement sphériques, et rebondissent. Techniquement parlant, le grésil est formé de granules de glace. (Wikipédia).
2. Pourquoi l'eau ne gèle pas dans les nuages : les secrets de la surfusion - CNRS
3. Les rayons X sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence dont la longueur d'onde est comprise approximativement entre 5 picomètres et 10 nanomètres. Les rayons X et les rayons gamma sont de même nature (ils sont constitués de photons), mais sont produits différemment : les rayons X sont produits par des transitions électroniques alors que les rayons gamma sont produits lors de la désintégration radioactive des noyaux des atomes ou d'autres processus nucléaires ou subatomiques.
4. La métastabilité est la propriété pour un état d'être stable, la vitesse de la transformation menant à l'état stable est relativement lente, voire nulle.
5. Un process correspond à un ensemble d'étapes ou transformations nécessaires à la fabrication d'un produit.

Auteur

Gaelle Naze ; date originale : 05 juillet 2010, 17 h 06

Les opinions exprimées dans cet article n'engagent que leur auteur et ne reflètent pas nécessairement celles de notre-planete.info

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