Fusion et solidification

s A toi qui connais tout, je vais te poser la question suivante : est-il plus facile de réchauffer de la glace ou de réchauffer de l'eau ?

Le phénomène physique

s Avant de te donner la solution, nous allons tout d'abord décrire le phénomène physique de la transformation de la glace en eau. Elle se déroule en deux temps :

  • d'abord, élévation de la température de la glace jusqu'à 0°C
  • puis fusion de la glace en eau, en restant à 0°C

s Je ne savais pas qu'il y avait deux étapes distinctes, je pensais à tort, que la glace se réchauffait et fondait en même temps !

s Le même phénomène physique existe dans l'autre sens et quand on refroidit de l'eau, elle se transforme en glace, également en deux étapes :

  • d'abord, baisse de la température de l'eau jusqu'à 0°C
  • puis solidification de l'eau en glace, en restant à 0°C

L'animation

s Je suppose que c'est le but de l'expérience de l'animation ? C'est un verre de glace qui est posé sur un brûleur ?

s Oui, cette glace a une certaine masse et une certaine température Celsius négative. Le panneau de contrôle présente l'affichage d'un minuteur et deux boutons + ou pour ajouter ou retirer des minutes. Le bouton On permet d'allumer le brûleur.

s Ok, c'est facile car c'est comme pour un four à micro-ondes…

s … Pfft ! Il faut être patient pour faire fondre la glace !

s Effectivement. Le but du jeu, c'est de trouver le bon réglage de minuterie pour que la glace soit pile fondue à 0°C. Si tu souhaites démarrer une nouvelle expérience, tu peux cliquer sur le bouton New, pour tout remettre à zéro.

s Lorsque le brûleur s'arrête, tu peux laisser le système se refroidir lentement et tu pourras observer le phénomène inverse de solidification.

Puissance de chauffe

s Ce n'est pas facile de tomber juste sur le bon réglage de minuterie.

s Pour t'aider, nous allons maintenant faire un peu de théorie. Tout d'abord, la puissance de chauffe de ton brûleur est la quantité d'énergie qu'il peut communiquer à la glace par seconde.

s Dans l'animation précédente, nous avions vu que l'unité de l'énergie est le joule.

s Oui et la puissance de chauffe est le joule par seconde, dont l'unité est le watt. Le brûleur de l'animation a une puissance efficace de chauffe de 1000 W ou 1000 joules par secondes.

Capacité calorifique de la glace

s Le deuxième principe physique à comprendre est la capacité calorifique de la glace : combien dois-je donner d'énergie à un gramme de glace pour le chauffer de 1 degré Kelvin ?

s ….

s La capacité calorifique de la glace est de 2,09 joules par gramme et par Kelvin.

Chaleur latente de fusion

s Le troisième principe physique important est la chaleur latente de fusion : combien dois-je donner d'énergie à un gramme de glace fondante pour qu'elle se transforme en eau ?

s ….

s Cette chaleur latente de fusion de la glace est de 335 joules par gramme.

s Tout cela c'est bien joli, mais je ne sais toujours pas comment régler la minuterie de mon brûleur !

Estimation du temps de fusion

s Pas de panique, voici deux indices pour t'aider à trouver :

  • il faut une minute pour que 574 g de glace se réchauffent de 50 K° avec 1000 W
  • il faut une minute pour faire fondre 179 g de glace fondante avec 1000 W

Solution du calcul du temps de fusion

s Si tu veux vraiment avoir bon à tous les coups, voici la solution et les formules de calcul :

  • Chauffage de la glace jusqu'à 0°C (joule) = Ecart de température (Kelvin) × Masse de la glace (g) × Capacité calorifique de la glace (2,09 J/g/K)
  • Transformation de la glace en eau (joule) = Masse de la glace (g) × Chaleur latente de fusion (335 J/g)
  • Chaleur pour faire fondre la glace (joule) = Chauffage de la glace jusqu'à 0°C (joule) + Transformation de la glace en eau (joule)
  • Temps pour faire fondre la glace (minute) = Chaleur pour faire fondre la glace (joule) / Puissance de chauffe (1000 watts) / 60 (secondes/minute)

s Merci, cela me fera gagner du temps.