Glace

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Glace
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Bloc de glace
Cristaux de glace

La glace est de l'eau à l'état solide.

√Ä la pression atmosph√©rique normale (101 325 Pa), l'eau est sous forme de glace lorsque sa temp√©rature est inf√©rieure √† sa temp√©rature de fusion qui est, par convention, de ¬įC (soit 273,15 K).

Cependant, en l'absence de cristal de glace, de l'eau calme peut √™tre refroidie √† des temp√©ratures inf√©rieures √† ¬įC sans se congeler, dans un √©tat d'√©quilibre instable appel√© surfusion, et atteindre ainsi des temp√©ratures allant jusqu'√† -20 ¬įC.

La température de fusion de la glace servit de point fixe pour la définition originelle de l'échelle de températures Celsius.

Sommaire

Physique de la glace

La glace présente plus de onze variétés allotropiques dont les domaines d'existence sont représentés dans le diagramme de phase ci-après. Elle existe également sous forme amorphe.

Diagramme de phase de la glace ‚ÄĒ pressions (1 GPa = 10 000 bars) en √©chelle logarithmique

√Ä la pression atmosph√©rique normale (et jusqu'√† une pression d'environ 0,2 GPa ou 2 000 bars), les mol√©cules d'eau de la glace ordinaire forment une structure cristalline suivant un r√©seau hexagonal (a = 4,52 √Ö, c = 7,37 √Ö), dont la stabilit√© est assur√©e par des liaisons hydrog√®ne ; cette vari√©t√© allotropique est appel√©e ¬ę glace 1h ¬Ľ ou ¬ę glace Ih ¬Ľ (h pour hexagonal). Cette structure pr√©sente une faible compacit√©, et la densit√© de la glace ordinaire est inf√©rieure √† celle de l'eau (917 kg/m¬≥ pour de la glace pure √† ¬įC, pression atmosph√©rique normale).

Ceci explique que la temp√©rature du point de fusion de la glace ordinaire s'abaisse avec l'augmentation de la pression (il s'agit d'une anomalie : les temp√©ratures de fusion croissent normalement avec la pression) jusqu'√† un minimum de -22 ¬įC (cf diagramme de phase de la glace) pour une pression d'environ 0,2 GPa (ici commence le domaine de la glace III).

Cristaux de givre sur la branche d'un arbre

En fonction des conditions de temp√©rature et de pression, la glace peut adopter d'autres structures cristallines, g√©n√©ralement plus compactes que la glace ordinaire ; certaines de ces vari√©t√©s de glace peuvent se rencontrer dans les conditions extr√™mes r√©gnant √† la surface d'autres plan√®tes ou satellites du syst√®me solaire :

  • glace II (basse temp√©rature, orthorhombique centr√©e, densit√© : env. 1,2) ;
  • glace III (basse temp√©rature, t√©tragonal, densit√© : env. 1,1) ;
  • glace IV (basse temp√©rature, densit√© : 1,29) ;
  • glace V (haute pression, basse temp√©rature, monoclinique √† base centr√©e, densit√© : env. 1,2) ;
  • glace VI (haute pression, basse temp√©rature, t√©tragonale, densit√© : env. 1,3) ;
  • glace VII (haute temp√©rature, haute pression, cubique simple, densit√© : env. 1,7) ;
  • glace VIII (haute pression, t√©tragonale centr√©, densit√© : env. 1,6) ;
  • glace IX (haute pression, t√©tragonale, densit√© : env. 1,2) ;
  • glace X (haute pression, cubique centr√©) ;
  • glace XI ;
  • glace XII (haute pression, basse temp√©rature, t√©tragonale, densit√© : env. 1,3) ;
  • glace XIII (obtenue √† -143,15 ¬įC et 0,5 GPa) ;
  • glace XIV (obtenue √† -155,15 ¬įC et 1,2 GPa).
  • glace XV (obtenue √† -143,15 ¬įC et 1 GPa).

Propriétés physiques de la glace ordinaire (Ih)

Roseaux pris dans la glace à proximité d'une serre froide. En cas de froid intense, les agriculteurs pulvérisent de l'eau sur la serre pour protéger les cultures en formant une sorte d'igloo.
Bloc de calcaire fracturé par le gel de l'eau incluse dans la roche microporeuse, ici photographié deux ans après l'exposition du bloc au gel, dans le nord de la France. Le gel participe ainsi aux processus d'érosion, mais aussi de production de sol par délitement de la roche.

La masse volumique de la glace est de 917 kg/m¬≥ √† ¬įC, et son coefficient de dilatation lin√©aire est d'environ 9¬∑10‚ąí 5/K, toujours √† ¬įC.

Une des particularit√©s de la glace est de pr√©senter une masse volumique plus faible que celle de l'eau liquide qui est d'environ 1000 kg/m¬≥ √† ¬įC et sous la presssion atmosph√©rique. La glace flotte donc √† la surface de l'eau liquide, ph√©nom√®ne inhabituel car pour la plupart des mat√©riaux, c'est le ph√©nom√®ne inverse qui se produit.

Propriétés mécaniques

Le coefficient de dilatation lin√©aire de la glace est d'environ 9¬∑10‚ąí 5/K √† ¬įC. La compressibilit√© de la glace est de l'ordre de 12¬∑10‚ąí 12/Pa.

La limite d'√©lasticit√© de la glace varie √©norm√©ment suivant la qualit√© de la glace utilis√©e : 10 kPa pour la glace de glacier, 60 kPa pour de la glace artificielle.

Les valeurs admises pour le module d'Young de la glace se situent environ √† 9,33 GPa (V.F. Petrenko, Physics of Ice)

Sa limite de plasticit√© est de 3,5 MPa (en compression) ; le rapport limite de plasticit√©/limite d'√©lasticit√© de la glace se range parmi les plus grands de tous les solides connus (environ 2 pour l'acier, et jusqu'√† 10 pour le fer doux).

Une formule empirique permet de d√©terminer la pression supportable par une couche de glace ; si l'on consid√®re H l'√©paisseur de glace en centim√®tres, alors 4¬∑H¬≤ donnera le nombre de kg par m¬≤ que la couche pourra supporter sans se briser.

Propriétés thermiques

√Ä ¬įC, la chaleur latente de fusion de la glace est de 333 kJ¬∑kg‚ąí 1 et sa capacit√© thermique massique est de 2,06 kJ¬∑kg‚ąí 1¬∑K‚ąí 1 ; celle-ci n'est que la moiti√© de la capacit√© thermique massique de l'eau √† ¬įC (4,217 kJ¬∑kg‚ąí 1¬∑K‚ąí 1), et varie de fa√ßon quasi lin√©aire en fonction de la temp√©rature (+ 0,17 %/K).

La conductivit√© thermique de la glace est de 2,1 W¬∑m‚ąí 1¬∑K‚ąí 1 √† ¬įC, et augmente avec l'abaissement de la temp√©rature (pente de l'ordre de ‚ąí 0,57 %/K) ; elle est donc toujours bien sup√©rieure √† la conductivit√© thermique de l'eau √† ¬įC, √©gale √† 0,55 W¬∑m‚ąí 1¬∑K‚ąí 1.

Glace à température ambiante

En 2005, l'√©quipe cor√©enne de Heon Kang, de l'universit√© de S√©oul, a pu obtenir une glace d'eau √† temp√©rature ambiante (20 ¬įC). Pour ce faire, un champ √©lectrique est appliqu√© entre la pointe d'un microscope √† effet tunnel et une surface d'or, o√Ļ est dispos√© un film d'eau liquide, d'une √©paisseur de l'ordre du nanom√®tre.

Dans cette exp√©rience, l'eau se transforme en glace car les dip√īles √©lectrostatiques des mol√©cules d'eau s'alignent sur le champ √©lectrique. L'intensit√© du champ √©lectrique √† laquelle ce changement apparait (106 V¬∑m‚ąí 1) est mille fois moins importante que ce que les mod√®les pr√©disaient.

Malgré la très faible épaisseur de la couche d'eau utilisée, ce phénomène pourrait, d'après les auteurs, intervenir au sein de nuages d'orages ou de microfissures de roches, ainsi que dans des équipements nanotechnologiques.

Mélanges

Fusion eutectique

En hiver, les routes sont salées pour faire fondre la glace. En fait, ce n'est pas la glace qui fond, mais un eutectique glace-sel.

Lorsque le sel NaCl (Na+, Cl‚ąí) entre en contact avec la glace, les ions s'arrangent autour des mol√©cules d'eau, qui sont polaires (H2őī+, Oőī‚ąí) et viennent former un compos√© (H2O) (NaCl) ; ce r√©arrangement n√©cessite seulement de petits mouvements des atomes, et se fait donc en phase solide. Lorsque les proportions exactes sont respect√©es (soit environ 22 % de sel en masse), le m√©lange se conduit comme un produit pur, qualifi√© d'¬ę eutectique ¬Ľ. La temp√©rature de fusion de cet eutectique H2O-NaCl est d'environ -21,6 ¬įC.

Le diagramme de phase suivant représente la température de fusion du mélange en fonction de la proportion eau-sel.

Diagramme de phase eau-sel √† pression atmosph√©rique ; l'eutectique se forme pour une proportion de sel de 0,233 1 en masse (23,31 % de sel et 76,69 % d'eau en masse)

Ainsi, pour des taux de sel inf√©rieurs √† la proportion de l'eutectique, nous obtenons un m√©lange eau + eutectique qui fond √† une temp√©rature sup√©rieure √† -21,6 ¬įC. Pour des taux de sel sup√©rieurs √† cette proportion, nous obtenons un m√©lange sel + eutectique qui fond √©galement √† une plus grande temp√©rature.

Le r√©arrangement eau + sel ‚Üí eutectique ne peut se faire qu'aux points de contact entre les cristaux de glace et de sel, donc √† la surface de la glace. On a donc formation d'une couche superficielle d'eutectique qui fond (si la temp√©rature est sup√©rieure √† -21,6 ¬įC) ; comme le sel est en sursaturation, il se dissout dans l'eutectique fondu, et peut r√©agir avec la glace qui se trouve sous la pellicule liquide. Le ph√©nom√®ne se propage donc, jusqu'√† ce qu'il manque de l'eau ou du sel pour former un nouvel eutectique.

En th√©orie, il serait donc possible de pr√©venir la formation de glace jusqu'√† -21,6 ¬įC. Dans les faits, il est impossible de doser la quantit√© de sel √† mettre.

Histoire

Les plus vieilles b√Ętisses que l'on connait ayant servi √† conserver la glace datent d'il y a 4 000 ans et se trouvent en M√©sopotamie. Ce sont des constructions en terre de forme conique invers√©e.

Mais on retrouve des puits √† neige ou puits √† glace servant √† la conservation de cette denr√©e partout √† travers le monde : Espagne, Chine, Cor√©e, Alg√©rie, France,... et qui sont apparus d√®s le XVI¬į si√®cle en ce qui concerne l'Europe. Ces grands b√Ętiments pouvaient conserver de la glace toute l'ann√©e afin de fournir les villes et villages les plus proches. En effet, d√®s la Renaissance, gr√Ęce √† une p√©riode prosp√®re tant au niveau √©conomique que politique, des √©changes interculturels entre France, Italie et Espagne ont permis la red√©couverte de ce produit. La glace servait √† confectionner des cr√®mes glac√©es, rafra√ģchir boissons et aliments, conserver les denr√©es, ... et m√™me prescrite par les m√©decins pour calmer douleurs, fi√®vres, anesth√©sier, etc. Les "glaci√®res" ont √©t√© exploit√©es jusqu'√† la fin du XIX¬įs., c'est-√†-dire jusqu'√† l'apparition des usines de fabrication de glace permettant de produire la glace industriellement, au jour le jour, sans l'al√©as des saisons.

Pour en savoir plus: Le Mus√©e de la Glace (Mazaugues, Var). Le visiteur est amen√© √† remonter le temps, de passer √† travers l'ambiance d'une usine √† glace de la premi√®re moiti√© du XXe si√®cle, pour aboutir √† la source du produit : les glaci√®res et les syst√®mes de r√©colte - conservation de la glace disponible dans la nature.

Laboratoire

Quelques laboratoires √©tudient sp√©cifiquement la glace :

  • L'Antiicing Material International Laboratory (AMIL)[1],
  • ainsi que le laboratoire de glaciologie et de g√©ophysique de l'environnement √† Grenoble[2].

Notes et références

Voir aussi

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Bibliographie

  • Eun-Mi Choi, Young-Hwan Yoon, Sangyoub Lee, Heon Kang, ¬ę Freezing Transition of Interfacial Water at Room Temperature under Electric Fields ¬Ľ, Physical Review Letters, n¬į 95, ao√Ľt 2005.
  • Ada Acovitsioti-Hameau, ¬ę L'artisanat de la Glace en M√©diterran√©e Occidentale ¬Ľ, suppl√©ment n¬į 1 au Cahier de l'ASER, troisi√®me √©dition, 120 pages, 2001.
  • Textes r√©unis par Ada Acovitsioti-Hameau, ¬ę De Neiges en Glaces... ¬Ľ, Actes de la premi√®re rencontre internationale sur le commerce et l'artisanat de la glace (Brignoles 1994), suppl√©ment n¬į 5 au Cahier de l'ASER, 230 pages, 28 articles, 1996.
  • Ada Acovitsioti-Hameau, Maxime Duminil et C√©dric Rey, ¬ę G√©nies Givr√©s : les inventeurs du froid artificiel ¬Ľ, suppl√©ment n¬į 9 au Cahier de l'ASER, 106 pages, 2003.

Articles connexes

Lien externe



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  • glace ‚ÄĒ s. f. [Culin√°ria] Cobertura feita √† base de calda de a√ß√ļcar, usada em bolos e doces. = GLAC√ä, GLAC√Č ¬†¬†‚Ä£¬†Etimologia: franc√™s glac√©, coberto de gelo, coberto de pel√≠cula de calda de a√ß√ļcar ‚Ķ   Dicion√°rio da L√≠ngua Portuguesa

  • glac√© ‚ÄĒ Glac√©, [glac]√©e. part. pass. Il a les significations de son verbe. On appelle, Gants glacez des gants cirez & unis comme de la glace, Taffetas glac√©, du taffetas lustr√© comme de la glace ‚Ķ   Dictionnaire de l'Acad√©mie fran√ßaise

  • glace ‚ÄĒ ‚Üí glas. glac√©, ‚äē glaceado da ‚Üí glas√©. marron glac√© ‚Üí ‚Ä¶   Diccionario panhisp√°nico de dudas

  • glace ‚ÄĒ having a smooth, polished surface, 1847, from Fr. glac√©, pp. of glacer to ice, give a gloss to, from V.L. *glaciare to turn or make into ice, from L. glacies –≤–ā—öice–≤–ā—ú (see GLACIAL (Cf. glacial)) ‚Ķ   Etymology dictionary


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