Il n’est pas rare de fabriquer des glaçons dans son congélateur.
Les plus curieux d’entre vous se demandent peut-être en combien de temps les futurs glaçons se transforment en glace ou à quelle vitesse la température de l’eau chute une fois dans le congélateur ?
Dans cet article, je vous propose d’observer la solidification puis la fusion d’un cube d’eau…vous pourriez être surpris !
L’expérience
Pour visualiser concrètement la formation d’un glaçon, un petit volume d’eau est placé au congélateur. La température de l’eau est mesurée à l’aide d’une sonde PT100 et enregistrée sur une carte SD à l’aide d’un Arduino.
Pour en savoir plus sur cet enregistreur je vous invite à lire cet article.
Résultat
Après 30 heures d’enregistrement, la courbe obtenue matérialise l’évolution de la température du glaçon.
Cette courbe permet d’observer 3 grandes étapes de la vie d’un glaçon :
- La congélation du glaçon
- Le maintien en température dans le congélateur
- La fonte du glaçon dans un verre
Analyse
Par curiosité scientifique, je vous propose de détailler la congélation du glaçon ainsi que son maintien en température.
Ces deux parties nous apprennent chacune un élément passionnant et intrigant.
Pour bien se repérer, l’évolution de la température est découpée en plusieurs phases.
La congélation du glaçon
La première étape de la vie du glaçon est la solidification. Au sens large, il s’agit des phases 1 à 4.
- Phase 1 :
Dans un premier temps, le volume d’eau est placé au congélateur. Se trouvant dans une ambiance plus froide, il cède de la chaleur et cette perte de chaleur entraine une chute de température. La chaleur alors cédée est appelée chaleur sensible. La baisse de température permet de visualiser l’échange de chaleur.
- Phase 2 :
Dans un second temps, l’eau change de phase, elle passe de l’état liquide à l’état solide. Il s’agit de la solidification. C’est là que le résultat de cette expérience est intéressant puisqu’il permet de mettre en évidence le changement de phase de l’eau à température constante.
Lors de ce changement de phase, l’eau continue à perdre de la chaleur mais sa température reste constante au fil du temps. Pendant ce laps de temps, la chaleur cédée est nommée chaleur latente.
Notons aussi qu’en fin de phase 2, une partie du glaçon est encore liquide et reste donc proche de 0 °C. Une autre partie (de plus en plus importante) du glaçon, déjà solidifiée, commence à chuter en température. La température mesurée est une moyenne du glaçon, on observe donc que le plateau s’affaisse et que la frontière entre la phase 2 et la phase 3 n’est pas franche.
- Phase 3 et 4 :
Le changement d’état est terminé, le glaçon est complètement solide, sa température chute progressivement vers -13 °C environ. A nouveau, comme dans la phase 1, de la chaleur sensible est extraite du glaçon devenu solide.
Le maintien en température
La phase 5 correspond à la fin de la congélation. Le glaçon a atteint la température du congélateur.
Ce qui surprend dans cette phase c’est que la température n’est pas constante. Ce que l’on observe s’explique par le mode de régulation du congélateur.
Produits en très grandes quantités et à faibles coûts, les appareils frigorifiques destinés au grand public n’intègrent pas de système de régulation complexe. Le fonctionnement est très simple.
- S’il fait trop chaud dans le congélateur, il se met en route.
- Dès qu’il y fait trop froid, il s’éteint.
Quelques recherches sur le net indiquent que ce n’est plus le cas mais que pendant très longtemps, la régulation tout ou rien décrite plus haut était réalisée par un thermostat bilame. Un composant très simple et peu cher dont le comportement thermomécanique permet de réaliser la régulation souhaitée.
Dans cette phase 5, on observe donc que le congélateur s’allume et s’éteint toutes les 70 minutes environ.
La fonte du glaçon
Les mêmes phénomènes que ceux mis en évidence lors de la congélation sont observés. La chaleur latente de la fusion de la glace permet d’observer un plateau de température constante.
Conclusion
Mettre un peu d’eau au congélateur vous aura sans doute paru banal…mais admettez que c’est une occasion de visualiser un tas de choses que l’on ne soupçonne pas forcément à première vue.
Répondons maintenant aux questions posées en début d’article. Au total, il aura fallu près de 12 heures pour que l’eau refroidisse, forme un glaçon et atteigne la température du congélateur. Cette durée dépend de la quantité d’eau à congeler et de la puissance frigorifique du congélateur. Voilà pourquoi il est plus intéressant de parler en pourcentages.
Sur ces 12 heures, 7,8 % du temps est nécessaire au futur glaçon pour atteindre 0 °C. C’est très rapide. En revanche, 37,5 % du temps est nécessaire au changement de phase puis les 54,7 % restant correspondent au refroidissement de 0 à -13 °C.
Ces quelques valeurs mettent en évidence le fait que le transfert thermique est provoqué par la différence de température entre l’eau et l’air du congélateur. Lorsqu’elle est faible (glace proche de -13 °C), il faut beaucoup de temps pour refroidir le glaçon (54,7 %).
Il apparait aussi que les glaçons refroidissent initialement très vite mais qu’ils stagnent longtemps à 0 °C. La chaleur latente correspondant au changement de phase est une réserve d’énergie très importante.
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