Superkøling

Den underafkøling er den tilstand af et materiale, som forbliver i trin flydende medens dets temperatur er lavere end dets punkt for størkning . Det er en såkaldt metastabil tilstand , det vil sige, at en lille forstyrrelse kan være tilstrækkelig til pludselig at udløse ændringen mod den faste fase . En relateret tilstand, kaldet superkogning , findes for et materiale, der forbliver i væskefasen, når dets temperatur er højere end kogepunktet .

Princip

Energitilgang

Superkøling skyldes overfladespændingsenergi ved fast-væske-grænsefladen.

På en forenklet måde kan det overvejes, at de små frø af faststof i fryseprocessen er ustabile i en væske, der er fri for urenheder, fordi de smeltes igen ved termisk omrøring . Mere strengt kompenserer energien frigivet ved størkning ( latent fusionsvarme ) ikke den energi, der bruges til at skabe grænsefladen fast-væske. Væsken køler derfor fortsat uden størkning. Denne tilstand kan destabiliseres ved tilsætning af mikroskopiske urenheder ( støv ), flokkuleringsmidler eller en enkelt krystal ( iskrystaller i tilfælde af vand), som kan tjene som kondenseringskerner eller ved omrøring, som stimulerer dannelsen af ​​krystaller, der er store nok til ikke at smelte igen.

Vi kan bestemme den mindste radius for en krystal for at være stabil afhængigt af overfladespændingen σ, den latente fusionsvarme L og densiteten ρ:

Det er også den mindste radius, som en kondensationskerne skal have. Når overfladespændingen σ falder med temperaturen, falder også den mindste radius. Størkning er derfor "lettere", når temperaturen falder.

Dette fænomen afspejles i fysikken af ​​en energibesparelse. Selvom temperaturen er lavere end den kritiske temperatur, kræver det faktum at passere fra flydende tilstand til fast tilstand en energiomkostning. På grund af temperaturen og i fravær af forstyrrelser (som kan induceres af tilstedeværelsen af ​​urenheder) kollapser systemet imidlertid ikke.

Geometrisk tilgang

Ifølge nyligt arbejde er dette fænomen knyttet til umuligheden af periodisk at brolægge rummet med en type regelmæssigt fast stof. Det er et problem med geometri, hvor en form er mere passende end en anden til helt at indtage et givet rum (for eksempel giver trekanter eller sekskanter mulighed for at modellere mere fint en cirkel med lige maske end kvadrater).

Hypotesen formuleret af nogle teoretikere er, at atomerne vil blive arrangeret i væsken efter et femkantet mønster. Da sidstnævnte ikke tillader brolagt plads, ville det derefter retfærdiggøre umuligheden af ​​krystallisering uden ødelæggelse af dette femkantede mønster: deraf eksistensen af ​​superkøling.

Denne hypotese blev forstærket af april 2010af arbejdet i ESRF forskere arbejder på vækstprocesser af halvleder nanotråde og indse, at en legering af guld og silicium også udviser denne underafkøling fænomen.

Ansøgning

Fænomenet superkøling er tæt forbundet med dannelsen af ​​briller, som på en bestemt måde er frosne superkølede væsker. På den anden side forklarer dette fænomen delvist, hvorfor meget koldt vand, der sættes i fryseren, er langsommere at fryse end lunkent vand (se Mpemba-effekten opkaldt efter Erasto Mpemba, der fremhævede det).

Faseændringsmaterialer

Med faseændringsmaterialer bruges fænomenet superkøling til at lagre den termiske energi, der produceres af en varmeproduktionsenhed i latent form . Dette gør det især muligt at begrænse varmetab i miljøet og tilbyder en måde at lagre termisk energi på sæsonbasis .

Det hyppigste og mest populære eksempel er " kemisk varmelegeme  ". Lille pose, der indeholder flydende natriumacetattrihydrat , en relativt stabil superkølet art ved stuetemperatur. Dens smeltetemperatur er omkring 56  ° C , der udløser dens størkning fra den underafkølede tilstand og ved stuetemperatur (mellem 15 og 25  ° C ) forårsager et temperatur "spring" (Se figur ovenfor: Størkning, der viser superkøling), som derfor vil opvarme natriumacetat trihydrat (nu fast stof) ved 56  ° C . Derfor er den betydelige frigivelse af varme, der mærkes af brugeren, der brugte varmelegemet.

Denne størkning udløses generelt ved hjælp af en lille konveks metalkapsel, som drejes i den anden retning, og som frigiver et korn af fast natriumacetat-trihydrat og derved udløser størkning.

Superkøling af vand

Vand kan være i form underafkølet i et temperaturområde fra 0  til  -42,55  ° C . En 2011 undersøgelse af kemikere viser teoretisk, at minimumstemperatur den som den superafkølede vandet kan nå før størkning er -48  ° C . Superkølet vand fryser, så snart det kommer i kontakt med en fast overflade eller en særlig type aerosol kaldet en "  frysekerne  ".

Stabiliserende virkning af opløste gasser

Tilstedeværelsen af opløste gasser (ofte omtalt som "blandede" gasser) hjælper med at opretholde denne flydende tilstand ved en temperatur under smeltetemperaturen. Deres tilstedeværelse skaber molekylær agitation med samme effekt som varme. Langsom sænkning af temperaturen på et glas vand (for eksempel 1/2 grad pr. Dag) øger mængden af ​​blandede gasser. Ved minus to grader kan vi tilføje urenheder til overfladen, vandet forbliver flydende, selv fortsætter med at sænke temperaturen gradvist. Hvis de omrøres, frigøres de blandede gasser, og vandet fryser med det samme.

Det følgende eksperiment er meget let at udføre. Tag en ny flaske (plast, så at den ikke eksploderer faretruende) mousserende drik og placere den mellem -5 og -8  ° C . Efter et par timer er varmevekslingen færdig, og drikken forbliver ofte flydende. Hvis flasken derefter åbnes, slipper gas ud, og alt indholdet fryser på næsten et sekund (det meget lille ekstra temperaturfald på grund af udvidelsen af ​​gassen spiller ikke hovedrollen her).

I meteorologi

Superkølet vand spiller en vigtig rolle i flere meteorologiske fænomener .

I populærkulturen

I sin roman Kaputt (1943) fortæller den italienske forfatter Curzio Malaparte følgende anekdote, som formodes at have fundet sted i 1942 under belejringen af ​​Leningrad i Lake Ladoga  :

”På den tredje dag brød en enorm brand ud i Raikkola-skoven. Mænd, heste og træer fanget i ildringen skreg forfærdeligt. (...) Mad af terror kastede hestene fra det sovjetiske artilleri - der var næsten tusind af dem - sig i ovnen og undslap flammerne og maskingeværerne. Mange omkom i flammerne, men de fleste formåede at nå søbredden og kastede sig i vandet. (...)

Nordvinden kom om natten (...) Kulden blev forfærdelig. Pludselig frøs vandet med den ejendommelige lyd af knusende glas (...)

Den næste dag, da de første svedhårede patruljer nåede kysten, præsenterede et frygteligt og overraskende syn sig for dem. Søen lignede en stor overflade af hvid marmor, som hundreder af hestehoveder ville have været anbragt på. "

- Curzio Malaparte, Kaputt , 1943

Den astrofysiker og popularizer Hubert Reeves tager op denne historie, og holder det sandt i sin bog L'Heure de s'ivrer (1986). Han antager, at den næsten øjeblikkelige frysning af søvandet var forårsaget af en hurtig faseændring på grund af den formodede underkølede tilstand af vandet på tidspunktet for hændelsen.


Et andet ældre, men rent fiktivt eksempel kan findes i litteraturen:

Hector Servadac , en roman af Jules Verne skrevet i 1877, beskriver et fænomen med superkøling af vand og den øjeblikkelige størkning af et bassin på flere tusinde kvadratkilometer. Vandet afkøles faktisk af kometen Gallias afstand fra solen og fraværende fra enhver makroskopisk bevægelse (ingen vind eller tidevand), frysningen udløses af lanceringen af ​​en rullesten af ​​Nina, den unge italienske indsamlet af Servadac.

Ideen om den øjeblikkelige størkning af alle klodens farvande er taget op af Kurt Vonnegut i sin roman Le Berceau du chat .

Bemærkninger

  1. Se artiklen Mesh
  2. ARTIFICA , "  Eksperimentel bekræftelse af teorierne om superkøling eller hvorfor vand ikke fryser i skyer - Pressemeddelelser og sæt - CNRS  " , på www2.cnrs.fr (adgang til 26. september 2016 )
  3. (in) TU Schülli R. Daudin , G. Renaud og A. Vaysset , "  Substratforstærket superkøling i AuSi eutektiske dråber  " , Nature , bind.  464,22. april 2010, s.  1174–1177 ( ISSN  0028-0836 , DOI  10.1038 / nature08986 , læst online , adgang 26. september 2016 )
  4. gåden om superkøling ved at blive løst på futura-sciences .com
  5. (da) Belén Zalba, José Ma Marín, Luisa F. Cabeza og Harald Mehling, “  Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications  ” , Applied Thermal Engineering , Elsevier BV, vol.  23, n o  3,Februar 2003, s.  251-283 ( ISSN  1359-4311 , DOI  10.1016 / s1359-4311 (02) 00192-8 , læs online ).
  6. Timo van Neerden , "  Hvordan fungerer lommeopvarmere eller magiske varmtvandsflasker?" - Couleur-Science  ” , på couleur-science.eu (hørt 28. september 2016 )
  7. (in) Physics, "  Synopsis: The coldest water  " on APS Physics ,2. januar 2018(adgang til 13. marts 2018 ) .
  8. (i) ScienceDaily, "  Supercool: Vand ikke-have til at fryse op til -48 C (-55 F)  " på ScienceDaily ,28. november 2011(adgang til 24. marts 2016 ) .

Se også

Relaterede artikler

eksterne links

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">