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Effet Mpemba :l'eau chaude gèle-t-elle plus vite que l'eau froide?
La lois de Newton sur le refroidissement dit bien que la rapidité du refroidissement est proportionnelle a la différence de température entre l’objet et son environnement ,or expérimentalement ce n’est pas toujours le cas.
La première référence à ce phénomène remonte à Aristote en -300, ILécrit :
« Le fait que l'eau a été auparavant chauffée contribue à la geler plus rapidement; pour cela elle doit refroidir plus tôt. En conséquence de nombreuses personnes, quand ils veulent refroidir rapidement de l'eau chaude, commencent par la mettre au soleil » Il écrivit ces mots pour corroborer une idée fausse qu'il appelait antipéristase, qui est définie comme "l'augmentation supposée de de l'intensité d'une qualité si elle est entourée de la qualité contraire, ici, le chauffage d'un corps tiède qui est entouré de froid" . Aux alentours de 1461, le physicien Giovanni Marliani, dans une discussion sur la façon dont les objets refroidissaient, dit avoir confirmé que l'eau chaude gelait plus vite que l'eau froide. En 1620 Bacon écrivait: "L'eau légèrement chaude est plus facilement gelée qu'une eau tout-à-fait froide" , alors que Descartes un peu plus tard affirmait: "L'expérience montre qu'une eau laissée longtemps sur le feu gèle avant une autre eau"
Le temps passe, et une théorie moderne de la chaleur fut développée, et les observations anciennes d'Aristote, Marliani et autres furent oubliées, peut-être parce qu'elles semblaient si contradictoires avec les concepts modernes de chaleur
Mais ce phénomène a été réintroduit en 1969 par un étudiant tanzanien nommé Mpemba.
En 1963;Mpemba ,étudiant a l’école ,observa que son lait chaud mis au freezer se transformait plus rapidement en crème glacée que le lait froid. Il rencontra après un vendeur de crème glacée qui lui dit qu’il plaçait les solutions chaudes dans le congélateur parce qu'elles gèlent plus rapidement. Mpemba, demanda une explication a son professeur ,il lui répondit « c’est la physique de Mpemba et pas la physique universelle ».mais Mpemba a continu ses expériences en collaboration avec le docteur Osborne et, en1969,ils publièrent leurs résultats.
Pour expliquer cela, on prend deux récipients de forme identique, contenant tous les deux la même quantité d’eau, la seule différence est la température. Ensuite, on les refroidit en utilisant le même processus, dans certains cas, on observe que l’eau chaude gèle en premier, si cela arrive on a observé l’effet Mpemba.
De nombreux témoignages ont rapportés des faits empiriques curieux, il ne faut pas laver sa voiture à l’eau chaude en hiver, car elle gèle plus rapidement ;ou qu’il valait mieux utiliser de l’eau chaude pour les patinoires.
On ne sait pas exactement pourquoi cela se passe ainsi, de nombreuses explications ont été proposées mais aucune n’a été confirmée par l’expérience . Pourquoi la science n’a pas pu expliquer ce phénomène ?. En effet, de nombreux paramètres peuvent influencer la rapidité de la gélification :la forme et la taille du récipient, les gaz dissouts et les impuretés de l’eau.
•L'évaporationde l'eau dans l'échantillon chaud est responsable d'une perte de volume. Cette évaporation nécessite énormément de chaleur (chaleur latente de changement d'état due à l’énorme capacité calorifique de l’eau), ainsi la chaleur de l'eau chaude est rapidement perdue. Certains chimistes affirmèrent et soutiennent toujours que le fait que l'eau chaude ait moins de volume le fait congeler plus rapidement que l'eau froide. Mais cela ne permet pas.
d'expliquer les expériences qui ont été réalisées dans des récipients fermés, dans lesquels
aucune masse d'eau ne peut être perdue par évaporation
•Les gaz dissous dans l'eau (principalement O2 et CO2) ont pour effet d'abaisser le point de congélation. Dans l'eau chaude, ces gaz s'échappent car la chaleur de l'eau chaude les rend insolubles, mais dans l'eau froide, ces gaz restent dans l'échantillon, ce qui explique pourquoi l'eau froide surfusionne beaucoup plus que l'eau chaude.
•La convection et La conduction thermique les petits volumes ayant une grande surface de contact avec l'air ambiant laissent mieux s'échapper la chaleur que de grands volumes, on aura alors un fort degré de surfusion en un temps plus court puisque la chaleur quitte l'échantillon très rapidement. Quand l'eau se refroidit il se développe en fait des courants de convection et une distribution de température non uniforme. Pour la plupart des températures la densité diminue si la température augmente, et donc la surface de l'eau est plus chaude que le bas. Il s'ensuit alors des mouvements de convections : l'eau gelée descend et l'eau chaude monte. Ce contact incessant entre l'eau chaude et la glace tend à refroidir l'échantillon assez brutalement et donc à le faire geler plus vite que l'échantillon d'eau froide. Notons, que dans l’espace, par absence de gravité, les différences de densités du liquide ne provoquerait aucun mouvement de convection, par conséquent ,l’eau chaude ne se refroidit pas aussi vite; une expérience dans une future station spatiale va démontrer cela.
•La surfusion Lors de la surfusion, la congélation ne peut se faire que lorsque le liquide atteint une température dite de nucléation. Cette température est variable et dépend de nombreux paramètres (bulles de gaz, germe cristallin, champ magnétique, etc.). L’expérience a montré que l'eau initialement la plus chaude subirait moins le phénomène de surfusion qu'une eau plus froide au départ. Si cela est vrai, ça n'expliquerait pas entièrement l'effet Mpemba, parce-qu'on aurait toujours à expliquer pourquoi l'l'eau initialement la plus chaude subit moins le phénomène de surfusion.
•L’environnement Une dernière différence entre le refroidissement de deux récipients est liée non pas à l'eau elle-même, mais à l'environnement. L'eau initialement la plus chaude pourrait influencer par un moyen ou un autre son environnement extérieur, et donc exercer une influence quelconque sur le processus de refroidissement.
Cette histoire montre une parabole dramatique avertissant les savants et professeurs de ne pas dénigrer les observations de non-scientifiques, ainsi que de ne pas émettre des jugements hâtifs sur ce qui est impossible.
On ne sait pas si ce phénomène est propre a l’eau ,ou s’il est universel; bien que l’expérience de Mpemba a été faite sur le lait.
La lois de Newton sur le refroidissement dit bien que la rapidité du refroidissement est proportionnelle a la différence de température entre l’objet et son environnement ,or expérimentalement ce n’est pas toujours le cas.
La première référence à ce phénomène remonte à Aristote en -300, ILécrit :
« Le fait que l'eau a été auparavant chauffée contribue à la geler plus rapidement; pour cela elle doit refroidir plus tôt. En conséquence de nombreuses personnes, quand ils veulent refroidir rapidement de l'eau chaude, commencent par la mettre au soleil » Il écrivit ces mots pour corroborer une idée fausse qu'il appelait antipéristase, qui est définie comme "l'augmentation supposée de de l'intensité d'une qualité si elle est entourée de la qualité contraire, ici, le chauffage d'un corps tiède qui est entouré de froid" . Aux alentours de 1461, le physicien Giovanni Marliani, dans une discussion sur la façon dont les objets refroidissaient, dit avoir confirmé que l'eau chaude gelait plus vite que l'eau froide. En 1620 Bacon écrivait: "L'eau légèrement chaude est plus facilement gelée qu'une eau tout-à-fait froide" , alors que Descartes un peu plus tard affirmait: "L'expérience montre qu'une eau laissée longtemps sur le feu gèle avant une autre eau"
Le temps passe, et une théorie moderne de la chaleur fut développée, et les observations anciennes d'Aristote, Marliani et autres furent oubliées, peut-être parce qu'elles semblaient si contradictoires avec les concepts modernes de chaleur
Mais ce phénomène a été réintroduit en 1969 par un étudiant tanzanien nommé Mpemba.
En 1963;Mpemba ,étudiant a l’école ,observa que son lait chaud mis au freezer se transformait plus rapidement en crème glacée que le lait froid. Il rencontra après un vendeur de crème glacée qui lui dit qu’il plaçait les solutions chaudes dans le congélateur parce qu'elles gèlent plus rapidement. Mpemba, demanda une explication a son professeur ,il lui répondit « c’est la physique de Mpemba et pas la physique universelle ».mais Mpemba a continu ses expériences en collaboration avec le docteur Osborne et, en1969,ils publièrent leurs résultats.
Pour expliquer cela, on prend deux récipients de forme identique, contenant tous les deux la même quantité d’eau, la seule différence est la température. Ensuite, on les refroidit en utilisant le même processus, dans certains cas, on observe que l’eau chaude gèle en premier, si cela arrive on a observé l’effet Mpemba.
De nombreux témoignages ont rapportés des faits empiriques curieux, il ne faut pas laver sa voiture à l’eau chaude en hiver, car elle gèle plus rapidement ;ou qu’il valait mieux utiliser de l’eau chaude pour les patinoires.
On ne sait pas exactement pourquoi cela se passe ainsi, de nombreuses explications ont été proposées mais aucune n’a été confirmée par l’expérience . Pourquoi la science n’a pas pu expliquer ce phénomène ?. En effet, de nombreux paramètres peuvent influencer la rapidité de la gélification :la forme et la taille du récipient, les gaz dissouts et les impuretés de l’eau.
•L'évaporationde l'eau dans l'échantillon chaud est responsable d'une perte de volume. Cette évaporation nécessite énormément de chaleur (chaleur latente de changement d'état due à l’énorme capacité calorifique de l’eau), ainsi la chaleur de l'eau chaude est rapidement perdue. Certains chimistes affirmèrent et soutiennent toujours que le fait que l'eau chaude ait moins de volume le fait congeler plus rapidement que l'eau froide. Mais cela ne permet pas.
d'expliquer les expériences qui ont été réalisées dans des récipients fermés, dans lesquels
aucune masse d'eau ne peut être perdue par évaporation
•Les gaz dissous dans l'eau (principalement O2 et CO2) ont pour effet d'abaisser le point de congélation. Dans l'eau chaude, ces gaz s'échappent car la chaleur de l'eau chaude les rend insolubles, mais dans l'eau froide, ces gaz restent dans l'échantillon, ce qui explique pourquoi l'eau froide surfusionne beaucoup plus que l'eau chaude.
•La convection et La conduction thermique les petits volumes ayant une grande surface de contact avec l'air ambiant laissent mieux s'échapper la chaleur que de grands volumes, on aura alors un fort degré de surfusion en un temps plus court puisque la chaleur quitte l'échantillon très rapidement. Quand l'eau se refroidit il se développe en fait des courants de convection et une distribution de température non uniforme. Pour la plupart des températures la densité diminue si la température augmente, et donc la surface de l'eau est plus chaude que le bas. Il s'ensuit alors des mouvements de convections : l'eau gelée descend et l'eau chaude monte. Ce contact incessant entre l'eau chaude et la glace tend à refroidir l'échantillon assez brutalement et donc à le faire geler plus vite que l'échantillon d'eau froide. Notons, que dans l’espace, par absence de gravité, les différences de densités du liquide ne provoquerait aucun mouvement de convection, par conséquent ,l’eau chaude ne se refroidit pas aussi vite; une expérience dans une future station spatiale va démontrer cela.
•La surfusion Lors de la surfusion, la congélation ne peut se faire que lorsque le liquide atteint une température dite de nucléation. Cette température est variable et dépend de nombreux paramètres (bulles de gaz, germe cristallin, champ magnétique, etc.). L’expérience a montré que l'eau initialement la plus chaude subirait moins le phénomène de surfusion qu'une eau plus froide au départ. Si cela est vrai, ça n'expliquerait pas entièrement l'effet Mpemba, parce-qu'on aurait toujours à expliquer pourquoi l'l'eau initialement la plus chaude subit moins le phénomène de surfusion.
•L’environnement Une dernière différence entre le refroidissement de deux récipients est liée non pas à l'eau elle-même, mais à l'environnement. L'eau initialement la plus chaude pourrait influencer par un moyen ou un autre son environnement extérieur, et donc exercer une influence quelconque sur le processus de refroidissement.
Cette histoire montre une parabole dramatique avertissant les savants et professeurs de ne pas dénigrer les observations de non-scientifiques, ainsi que de ne pas émettre des jugements hâtifs sur ce qui est impossible.
On ne sait pas si ce phénomène est propre a l’eau ,ou s’il est universel; bien que l’expérience de Mpemba a été faite sur le lait.
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