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Le phénomène de la surfusion

 La surfusion est un cas particulier de métastabilité, qui ne peut se produire qu'avec un liquide très pur et ne contenant pas de germes de cristallins. Ces conditions ne suffisent pas à prolonger la surfusion, celle-ci cesse à une température, dite de nucléation, c'est à dire une température en dessous de laquelle le liquide se cristallise même en l'absence de tout germe. Pour l'eau, la température de nucléation avoisine environ -40°C. Au dessus de la température de nucléation, la surfusion cesse et le liquide se cristallise très rapidement lorsque l'on introduit un germe de cristallisation, une impureté, ou si le liquide est soumis à une agitation mécanique.
 

La surfusion est l'état d’une matière qui demeure en phase liquide alors que sa température est plus basse que son point de solidification.  Quand une matière est en surfusion, on dit qu'elle est dans un état métastable, c’est-à-dire qu'une perturbation est nécessaire pour rejoindre un état plus stable. (solide dans le cas de l'eau en surfusion)

Nous avons réalisé une expérience qui permettra de mettre en évidence le phénomène de surfusion : 
 
Matériel: 

​

  • Calorimètre 

  • Tube à essai 

  • Eau distillée 

  • Thermomètre électrique 

  • Mélange réfrigérant (70 % glace pilée + 30% sel) 

 
Protocole: 

 

  1. Préparer le mélange réfrigérant et le placer dans le calorimètre 

  2. Prélever 10 ml d'eau distillée dans le tube à essai 

  3. Placer le tube à essai dans le calorimètre 

  4. Mettre la sonde du thermomètre dans le tube à essai 

  5. Ne plus toucher au calorimètre et au tube à essai et noter la température chaque 30 secondes 

Résultats: 

On remarque que la température atteint des valeurs négatives très rapidement mais l'eau reste liquide. Ainsi avec une eau pure (sans impuretés) on peut atteindre une température de -40°C . Lors de l'interruption de la surfusion, l'eau se solidifie et sa température remonte à 0°C.  

Le plus important à retenir dans cette expérience, c'est les conditions adéquates pour garder l'eau en surfusion. Après plusieurs répétitions de cette expérience nous avons remarqué que plusieurs facteurs entrent en jeu : 

  • L'eau doit être pure pour donner de meilleurs résultats (eau distillée) 

  • Le matériel utilisé doit être propre (Le tube à essai) 

  • Un bon réfrigérant (refroidissement rapide) 

  • Présence de gaz dissous dans l'eau (effet d'agitation thermique).

Figure 1: États d'un système métastable : L'état 1 paraît stable, mais une perturbation suffisante pour dépasser l'état 2 conduira à l’état 3, plus stable que l'état 1 (qui de fait n'est que métastable)

Figure 2: Schémas de l’expérience mettant en évidence le phénomène de la surfusion.

Figure 3: Courbe de l’évolution de la température de l'eau en fonction du temps.

Vidéo 1: Cristallisation de l'eau en surfusion suite à une agitation mécanique.

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