Pendant des siècles, des scientifiques observateurs, d’Aristote à Descartes, ont soupçonné que, contrairement à toute idée reçue, l’eau chaude pouvait geler plus rapidement que l’eau froide. Mais il n'y avait aucun consensus scientifique sur la véracité de cette hypothèse.
En 1963, un étudiant tanzanien en physique nommé Erasto B. Mpemba (prononcé emp-pem -ba) a ravivé l'idée via un accident survenu alors qu'il préparait de la glace dans son école. Il semblait prouver ce qu’Aristote et Descartes soupçonnaient :l’eau chaude atteint le point de congélation plus rapidement que l’eau froide. Il a écrit sur ses observations dans un article de 1969, intitulé simplement « Cool ? » ce qui a donné naissance au terme « effet Mpemba ». Mais Erasto Mpemba avait-il raison ? L'eau chaude gèle-t-elle vraiment plus vite que l'eau froide ?
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L'effet Mpemba est un concept physique qui postule que lorsque l'eau chaude et l'eau froide sont placées dans un environnement de congélation identique, l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide.
Erasto Mpemba a noté que lorsque sa classe préparait de la crème glacée, il plaçait un mélange de sucre et de lait presque bouillant (qui est principalement de l'eau) dans un congélateur, et il congelait avant d'autres mélanges qui avaient été refroidis à température ambiante avant d'être congelés. /P>
L'extrapolation de Mpemba à partir de cette observation était que lorsque des volumes identiques d'eau — l'un à 212 degrés Fahrenheit (100 degrés Celsius) et l'autre à 95 degrés Fahrenheit (35 degrés Celsius) — étaient placés dans des béchers identiques et mis au congélateur, la température de 212 degrés l'eau se transformerait en glace plus rapidement. L'observation de la crème glacée et la postulation de l'eau de Mpemba l'ont aligné sur plusieurs siècles de scientifiques qui avaient également soupçonné cette propriété inhabituelle de l'eau.
Lorsque l’eau gèle et se transforme en glace, elle subit un changement de phase; il passe d’un liquide à un solide. Les physiciens déclarent traditionnellement la phase d'une substance lorsqu'elle est à l'équilibre. Cela signifie que la substance est dans un état stable et que des quantités importantes d’énergie ne circulent pas d’une région à l’autre. Cela signifie également que son volume et sa température restent stables. Lorsqu'une substance n'est pas en équilibre, ses niveaux d'énergie fluctuent, tout comme (potentiellement) son état de matière.
Pour que l’eau gèle et reste gelée, les particules d’eau individuelles doivent atteindre l’équilibre. Si trop d’énergie traverse une eau hors d’équilibre, elle oscillera entre solide et liquide (à basse température) ou liquide et gaz (à des températures plus élevées). Plus tôt les particules d'eau atteignent l'équilibre à de faibles niveaux d'énergie, plus vite elles peuvent geler.
Les physiciens se demandent encore si l’eau chaude gèle plus rapidement que l’eau froide. Lorsque cela se produit, certaines conditions doivent être remplies.
Lorsqu’un récipient rempli d’eau est immergé dans un environnement glacial, différentes parties de l’eau atteignent l’équilibre à différents moments. L'eau à la périphérie du récipient refroidit plus rapidement, ce qui signifie qu'elle peut geler tandis que l'eau au milieu du récipient reste liquide. Et lorsque vous placez spécifiquement un récipient d'eau chaude dans un congélateur (comme l'eau bouillante à 212 degrés décrite par Mpemba), cela libère également de la vapeur du haut du récipient, ce qui diminue le volume total d'eau qui doit geler.
De plus, l’eau froide (ou même l’eau à température ambiante) développe souvent une couche de givre à sa surface dans le cadre du processus de congélation. Ironiquement, ce gel isole temporairement l’eau (un peu comme un igloo de glace isole ses habitants de l’air froid), ce qui peut ralentir le processus global de congélation. L'eau chaude, au moins au début, bloque la formation de givre, ce qui permet à l'air froid de pénétrer plus profondément dans le récipient.
Voici quelques-unes des façons dont l’eau chaude peut provoquer un gel plus rapide que l’eau froide. Mais n'oubliez pas que pour que l'eau gèle et reste gelée, elle doit atteindre un état d'équilibre.
S’il existe des preuves que l’effet Mpemba est réel et cohérent, elles proviennent d’une étude réalisée en 2020 par John Bechhoefer et Avinash Kumar. Publiée dans la revue Nature, l'étude a soumis des billes de verre microscopiques à ce qu'elles appellent un « paysage énergétique » contrôlé par des lasers. Les chercheurs ont chauffé les billes à différentes températures. Ils ont ensuite observé laquelle des perles a atteint en premier un état d'équilibre au sein de ce paysage énergétique.
Bechhoefer et Kumar ont observé que les billes microscopiques qui commençaient à des températures élevées atteignaient l'équilibre plus rapidement que celles qui commençaient à des températures plus basses. C'est assez intéressant, mais quel est le rapport entre l'atteinte de l'équilibre et le gel ?
Le lien provient de travaux antérieurs réalisés par Zhiyue Lu de l’Université de Caroline du Nord et Oren Raz de l’Institut Weizmann des Sciences en Israël. Leur article, « Thermodynamique hors équilibre de l'effet Markovian Mpemba et de son inverse », publié dans Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) et décrit par Quanta Magazine, postule que des systèmes de matière plus chauds pourraient être capables d'avancer dans le processus de atteindre l'équilibre, atteignant ainsi un état stable plus rapidement qu'un système plus froid.
Si le relâchement vers l'équilibre est une référence critique dans le processus de congélation de l'eau, alors les travaux combinés de Bechhoefer et Kumar ainsi que de Lu et Raz pourraient prouver l'existence d'un effet Mpemba.
L’effet Mpemba n’est pas universellement accepté comme un phénomène scientifique prouvé. Cependant, des siècles d'observation, ainsi que les travaux récents de Bechhoefer, Kumar, Lu et Raz, ont convaincu de nombreux physiciens que, dans de bonnes circonstances, l'eau chaude peut réellement atteindre un point de congélation plus rapidement que l'eau froide.
Certains scientifiques, comme Harry Burridge et Paul Linden, restent sceptiques. Ils reconnaissent que même si certains récipients d’eau chaude peuvent geler plus rapidement que des récipients d’eau froide de taille égale, le moindre changement des conditions efface l’effet. L'étude de Burridge et Linden de 2016, « Questionner l'effet Mpemba :l'eau chaude ne refroidit pas plus rapidement que l'eau froide », a révélé que toute preuve d'un effet Mpemba dépendait de la taille d'un récipient d'eau et de l'emplacement d'un thermomètre. Dans une autre étude, le chercheur James Brownridge a découvert que les impuretés présentes dans un récipient rempli d'eau (comme celles contenues dans la préparation de glace de Mpemba) modifieraient le point de congélation du liquide. Tout en reconnaissant qu'il arrive parfois que l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide, ces scientifiques soutiennent que le phénomène ne s'applique pas uniformément dans la nature.
Cependant, d’autres physiciens, comme Raúl Rica Alarcón de l’Université espagnole de Grenade, estiment que ces nouveaux ensembles de données, tels que ceux proposés par Bechhoefer et Kumar, sont significatifs. "Mon point de vue est que l'effet Mpemba peut se produire dans certaines circonstances particulières", déclare Rica Alarcón, "mais nous essayons encore de déterminer quelles sont les conditions minimales pour que cela se produise."
Rica Alarcón note que l'observation de l'effet Mpemba implique toujours des différences drastiques de température entre un récipient rempli d'eau et son environnement. Et, ajoute-t-il, vous pouvez observer des phénomènes tout aussi intrigants lorsque vous inversez les températures et placez de la glace gelée dans un environnement chaud.
L'effet Mpemba, explique Rica Alarcón, "semble faire partie d'un grand groupe d'effets de thermalisation anormaux, qui se produisent lorsqu'un système est soudainement mis en contact avec un bain thermal à une température différente". L'effet Mpemba décrit un changement de phase chaud-froid comme "lorsque vous prenez une tasse chaude et que vous la mettez au réfrigérateur ou au congélateur". Mais les changements de phase froid à chaud provoquent également des résultats inhabituels. "Des effets intéressants se produisent lorsque vous effectuez des abaissements de température du froid au chaud", explique Rica Alarcón, "comme lorsque vous mettez un glaçon dans de l'eau bouillante."
Nous savons que de nombreuses générations de scientifiques ont observé que l’eau chaude gelait à une vitesse surprenante. Rica Alarcón nous invite à considérer ce processus de manière plus globale et à considérer l’effet Mpemba comme faisant partie d’un phénomène plus large. "La thermalisation", explique-t-il, "peut suivre des chemins contre-intuitifs du fait que les processus se déroulent hors d'équilibre."
Tout comme l’eau douce, l’eau des océans peut geler – elle le fait simplement à une température plus basse. L'eau de mer gèle à environ 28,4 degrés Fahrenheit (moins 2 degrés Celsius) en raison de sa teneur en sel, tandis que l'eau douce gèle à 32 degrés Fahrenheit (0 degré Celsius).
