Surfusion

Définition

La surfusion est le refroidissement d'un liquide en dessous de son point de cristallisation. Si un noyau de cristallisation est soudainement ajouté à un liquide en surfusion, il gèlera très rapidement. Par exemple, le givrage est un phénomène de surfusion.

La surfusion est le processus d'abaissement de la température d'un liquide ou un gaz en dessous de son point de congélation sans qu'elle ne devienne un solide. Le processus est un sous-refroidissement. Cet état physique correspond ainsi à une phase liquide même si la température est en dessous du point théorique de solidification.

La surfusion :

Phénomène de surfusion représenté dans un graphique. L'axe de l'abscisse correspond au temps, celui des ordonnées à la température.

Explications

La surfusion consiste à refroidir un liquide en dessous de son point de fusion sans qu'il passe à l'état solide. Cela s'explique en admettant que le liquide surfondu est dans un état d'équilibre dit métastable (instable). Cette explication est justifiée par le fait que toute perturbation produit la solidification du liquide surfondu. Lorsque nous mettons, dans un liquide surfondu, un petit cristal de la substance, cela sert de noyau et provoque la solidification de la substance entière. Une perturbation mécanique (par exemple agitation) dans un liquide surfondu peut également provoquer une solidification. Lorsqu'un liquide surfondu se solidifie, sa température augmente jusqu'à ce qu'il atteigne la température de solidification.

Eau surfondue

L'eau surfondue (en état de surfusion) fait référence au phénomène par lequel l'eau reste liquide à des températures inférieures à 0 °C.

Le phénomène de surfusion de l'eau existe en raison de la taille des gouttelettes d'eau : une goutte d'eau très petite a la propriété d'avoir une tension superficielle telle que de ne pas la faire geler. D'autres conditions à respecter pour que le phénomène se produise sont la pureté de l'eau (eau pure impérative), qui doit donc être exempte de sels et le refroidissement, qui doit se dérouler dans un état de calme.

L'eau surfondue est un état extrêmement instable et a la propriété de se solidifier au contact d'autres objets. Les vibrations peuvent également conduire à une solidification immédiate de la goutte. Le cristal de glace a une structure cristalline différente de celle des cristaux de glace classiques. Le cristal de glace change de forme en fonction de la température de l'eau débordée dont il dérive :

• vers -6 °C, une plaquette glacée se développe dans le sens de l'épaisseur, formant de très fines aiguilles de section hexagonale;
• vers -10 °C, l'augmentation de la taille des cristaux intervient dans le sens de la plus grande taille de l'hexagone initial, formant des plaquettes hexagonales plus larges (la chaleur latente de fusion à une pression de 1 atm et à une température de -10 °C est de 79,8 cal/g);
• à environ -15 °C, la croissance se poursuit sur les sommets du périmètre du cristal, avec la formation de dendrites qui donnent à la plaque initiale la forme d'une étoile à six branches;
• au delà de -20 °C, la croissance du cristal a lieu en hauteur, créant des hexagones creux à l'intérieur.

Le phénomène par lequel l'eau submergée gèle instantanément au contact d'un solide est appelé engelure.

Dans les nuages froids (avec des températures inférieures à 0 °C), les gouttelettes d'eau sont relativement courantes à des températures comprises entre 0 °C et -12 °C. Il est plus difficile de trouver ce phénomène entre -12 °C et -20 °C. Il est très rare que le phénomène se produise entre -20 °C et -40 °C, alors qu'il est très difficile de trouver des gouttelettes surfondues en dessous de -40 °C, étant donné que des expériences ont montré qu'une gouttelette d'un diamètre de 5 μm gèle spontanément à cette température.

Les nuages contenant de l'eau surfondue peuvent être dangereux pour les avions qui les traversent. La tendance quasi instantanée à former un film de glace d'eau surfondue au contact d'un solide peut provoquer le blocage des commandes ou alourdir considérablement le milieu.

La présence d'eau surfondue est souvent un symptôme de grêle, car l'eau surfondue est typique des cumulus.

Exemples

Les expériences de surfusion peuvent être facilement réalisées avec du thiosulfate de sodium (Na₂S₂O₃). Cette substance se présente comme un cristal d'apparence semblable à de la glace, fusionnant à environ 47 °C. Si le thiosulfate est fusionné puis refroidi lentement, on peut observer l'état surfondu à des températures bien inférieures à celles de son point de fusion.

C'est typiquement le cas des brouillards givrants avec l'eau qui est en état de surfusion mais absolument pas dans des superfluidités (ce serait plutôt l'opposé).

En rapport avec "surfusion"

• givrage

  

  Le givrage est le phénomène aboutissant à la formation de givre. En météorologie, le givrage commence dans des situations de brouillard combinées...

• givre

  

  Le givre est un dépôt de glace dû au gel, constitué par des granules plus ou moins séparés par des inclusions d'air.

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  En physique-chimie, la sublimation est le processus qui consiste à faire passer un composé de l'état solide à l'état gazeux sans passer par l'état liquide.

• corps d'inclusion

  

  Le corps d'inclusion est un granule, ou une particule virale, présent dans le cytoplasme ou le noyau de certaines cellules infectées, qui joue un rôle...