Du chaud pour faire du froid plus vite

Dans la vie, il y a des urgences. Une visite impromptue en plein été et voilà qu’il vous manque le seul ingrédient pour être un hôte de qualité : des boissons fraiches !

Rien n’a été mis au réfrigérateur et vous n’avez aucun glaçon. Vite, faisons chauffer de l’eau pour qu’elle refroidisse plus vite !

Hum… quoi ? Cela semble aberrant de chauffer pour refroidir… ça l’est !

La physique d’aujourd’hui ne l’explique pas encore de façon exhaustive mais c’est un fait observé depuis Aristote (350 avant JC) et redécouvert par de nombreux scientifiques depuis tels que Roger Bacon ou Descartes. Le dernier en date est Erasto Mpemba, un tanzanien alors encore adolescent qui faisait des crèmes glacées. Il a publié sur ce phénomène en 1963 ; époque durant laquelle les articles scientifiques pouvaient encore se permettre d’avoir un titre vague, d’être accompagnés de mots-croisés et où l’utilisation de la première personne du singulier ne constituait pas encore une affreuseté du discours scientifique.

mpembaArticle

Ce phénomène a alors été baptisé l’effet Mpemba. L’hypothèse de départ est la suivante  : si on place deux liquides identiques mais de températures différentes dans deux contenants identiques ; alors, c’est celui dont la température de départ est la plus élevée qui gèlera en premier.

J’étais sceptique alors j’ai fait mes tests.

Soit deux bacs à glaçons bleus (détail sans importance) dans lesquels nous versons de l’eau à température ambiante pour l’un et une eau chaude pour l’autre. Dans les deux cas, la même quantité d’eau est mise dans les bacs. Ils sont ensuite transférés dans le freezer du réfrigérateur et une prise de mesure de température est effectuée toutes les 10 minutes. Le résultat de ces prises de mesure est présenté sur le graphe ci-dessous. La température du freezer est estimée à -18C.

ComparaisonGelee

Comme on peut l’observer sur le graphe, très rapidement, les températures arrivent à un état stable autour de -5C. Au bout de 40min, les températures des deux bacs ne seront plus significativement différentes. Et c’est à ce moment-là que l’on se pose la question… À quel moment considère-t-on que l’expérience est terminée ? Est-ce lorsque le premier des deux liquides arrive à 0C ? Ou bien quand la première couche de glace se forme en surface ou encore quand le liquide a complètement gelé ? Et comment l’évaluer si ce n’est par une méthode visuelle -et donc à la précision limitée- ?

Je ne suis pas la seule à m’être posé la question. La difficulté que les scientifiques ont pour formuler une théorie sur ce phénomène vient en grande partie des difficultés expérimentales. Quelle est la bonne hypothèse à poser ? Quelles sont les limites du problème ? Quels sont les biais à prendre en compte et ceux qui sont négligeables ? Difficile de répondre.

Comme mes mesures de température ne me permettent pas de déterminer grand-chose, je suis allée regarder ce qu’il se passe quand personne ne regarde. J’ai placé mes deux bacs à glaçons et j’ai observé l’apparition de la glace. Voici les résultats :

La formation de la première couche de glace superficielle est difficile à distinguer. Par contre, on observe bien la transformation en glace qui apparaît en premier lieu avec l’eau chaude. Après 3h passées dans le freezer la glace n’est pas complètement formée dans les deux bacs, mais visuellement, on observe tout de même une quantité de glace suérieure à la quantité d’eau avec le bac initialement plus chaud.

glacons2

On le prouve avec nos expériences de façon qualitative, l’eau chaude semble geler plus vite que l’eau froide. Et ce phénomène a été observé partout dans le monde. Il fait même parti de la connaissance commune : lorsque de l’eau est nécessaire pour dégeler sa voiture, c’est de l’eau froide qui est choisie, et non pas de l’eau chaude !

Alors pourquoi ?

Les lois de la thermodynamique sont claires, ce n’est pas possible. Et personne ne les contredit. En absolu, l’eau chaude est plus longue à geler que l’eau froide. Par contre, les conditions expérimentales induisent de nouveaux facteurs qui influencent la vitesse de gel.

Parmi ces facteurs, on compte l’évaporation. L’eau plus chaude s’évapore plus vite et perd du volume. S’il y a moins d’eau à geler, cela gèle plus vite !

En mesurant nos deux bacs de glaçons une fois à l’état liquide et une fois complètement solide, nous constatons qu’ils perdent du poids (tableau ci-dessous).

tableau

Cependant, la différence de perte entre les deux échantillons est seulement de 5% dans notre expérience, ce qui est minime pour justifier d’un phénomène que l’on peut constater à l’œil nu. Cette hypothèse ne peut donc pas être la seule responsable.

La raison la plus plausible au moment où j’écris ces lignes est la convection. C’est un mode de transport de la chaleur. Lorsque l’on place le bac dans le freezer, les parois de celui-ci se refroidissent plus rapidement que l’intérieur. Ainsi entre les bords et le centre, il existe un fort gradient (= différence) de température. Et ces différences amènent le liquide à se mettre en mouvement accélérant ainsi le refroidissement puisque la chaleur est évacuée plus vite. Et plus la différence de température sera élevée, plus l’eau refroidira rapidement.

La convection donc. C’est la théorie du moment. Il faut avouer qu’elle me plait. Alors que je prenais mes mesures de température, la température de l’eau chaude était très difficile à noter. La valeur que mon thermomètre infrarouge me donnait n’était pas stable ce qui me laisse penser qu’effectivement, des courants, des mouvements de liquide étaient présents.

Si cela vous intéresse d’approfondir le sujet, vous trouverez des liens vers d’autres articles expliquant l’effet Mpemba.

Mais je ne veux pas de glaçons moi, je veux une bière fraîche !

C’est vrai, les glaçons ne sont pas la seule façon d’avoir à une boisson fraîche… On peut simplement mettre la bière ou la bouteille que l’on souhaite au congélateur. Mais là encore, il existe une méthode de refroidissement plus rapide !

Bouteilles

Un autre moyen pour refroidir vos boissons plus rapidement est de les entourer de papier absorbant mouillé. J’ai pu comparer le refroidissement de deux bouteilles d’eau ayant initialement une quantité et une température d’eau identique, une sans papier absorbant et une avec. Les résultats de mesure de température sont présentés dans le graphe ci-dessous.

bouteilleSopalinPasSopalin

D’après les mesures, le papier absorbant permet de refroidir le liquide plus rapidement que sans celui-ci.
Mais comment ? J’ai deux hypothèses. La première est la même que pour l’effet Mpemba, la convection. La fine couche d’eau autour de la bouteille refroidira très rapidement puisqu’il existe un faible volume et les parois de la bouteille seront plus froides. La convection fonctionne d’autant mieux que les parois sont froides et/ou que le liquide est chaud. On augmente alors le phénomène de convection et donc la vitesse de refroidissement. Ma seconde hypothèse est la conductivité. L’eau est un meilleur conducteur que l’air et il permet à la chaleur de la bouteille de s’échapper plus rapidement qu’avec une simple conduction aérienne. Sans doute que la raison physique est une combinaison des deux hypothèse énoncées ici.

Profitez de vos boissons, bien fraîches !

Références :

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8 Responses

  1. Très intéressant et pédagogique aussi sur la méthodologie expérimentale.

  2. Vincent says:

    Pour la 2e expérience l’évaporation de l’eau présente sur le papier pourrait aussi jouer ?

  3. vivianelalande says:

    Je ne pense pas que l’évaporation de l’eau ait un rôle. Puisque l’eau qui s’évapore est celle du papier, je ne vois pas trop comment cela pourrait refroidir l’eau de l’intérieur de la bouteille… As-tu une suggestion ?

    • fdsjkfdsfdsfsd says:

      L’eau s”évapore en captant de l’energie;
      et dans ce cas là, elle capte l’energie de la bouteille

  4. Seyhan says:

    Il serait intéressant de tester l’effet de la position du bac dans le congélateur en les intervertissant, certains freezers congélant mieux d’un côté que de l’autre (expérience personnelle douloureuse ayant entraîné une perte de la moitié d’un paquet de glace, RIP)

  5. Senji says:

    Petit détail sur lequel réfléchir aussi (je découvre ta chaîne et ton site grasse à Dirty Biology) : c’est l’effet des éléments et particules présents dans l’eau.
    L’eau chaude a pu évacuer plus de gaz et de particules que l’eau froide, ce qui la rend plus “pure” ce qui lui permettrai d’être plus proche du modèle eau “pure” et donc d’avoir un comportement différent.

    • Astrea says:

      Cela peut se tester facilement.
      Chauffer une petite bouteille d’un litre d’eau pendant X minutes puis placer cette contenance dans sa bouteille d’origine.
      Laisser cette bouteille redescendre à température ambiante.
      Une fois que c’est le cas, recommencer la première étape avec une seconde bouteille.
      Puis, placer ces deux bouteilles dans le congélateur.

      Cela permettra de faire l’expérience avec une eau “purifiée” ou à composition plus égale tout en limitant le facteur d’évaporation.

  1. September 12, 2016

    […] J’ai posté ma toute première vidéo le 12 septembre 2013. Elle n’avait pas de son, il ne se passait pas grand-chose et elle ne venait qu’illustrer un article de blog. […]

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