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Glace

Introduction

Bloc de glace
Cristaux de glace

La glace est de l'eau à l'état solide.

À la pression atmosphérique normale (101 325 Pa), l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) est sous forme de glace lorsque sa température est inférieure à sa température de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance...) qui est, par convention, de °C (soit 273,15 K).

Cependant, en l'absence de cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale...) de glace, de l'eau calme peut être refroidie à des températures inférieures à °C sans se congeler, dans un état d'équilibre instable appelé surfusion, et atteindre ainsi des températures allant jusqu'à -20 °C.

La température de fusion de la glace servit de point fixe (En mathématiques, pour une application f d’un ensemble E dans lui-même, un élément x de E est un point fixe de f si f(x) = x.) pour la définition originelle de l'échelle de températures Celsius.

Physique de la glace

La glace présente plus de onze variétés allotropiques dont les domaines d'existence sont représentés dans le diagramme de phase (Un diagramme de phase est une expression utilisée en thermodynamique (voir Phase) ; elle indique une représentation graphique, généralement à deux ou...) ci-après. Elle existe également sous forme amorphe.

Diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des...) de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de la glace — pressions (1 GPa = 10 000 bars) en échelle logarithmique

À la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) atmosphérique normale (et jusqu'à une pression d'environ 0,2 GPa ou 2 000 bars), les molécules d'eau de la glace ordinaire forment une structure cristalline suivant un réseau hexagonal (a = 4,52 Å, c = 7,37 Å), dont la stabilité est assurée par des liaisons hydrogène ; cette variété allotropique est appelée « glace 1h » ou « glace Ih » (h pour hexagonal). Cette structure présente une faible compacité, et la densité de la glace ordinaire est inférieure à celle de l'eau (917 kg/m³ pour de la glace pure à °C, pression atmosphérique normale).

Ceci explique que la température du point (Graphie) de fusion de la glace ordinaire s'abaisse avec l'augmentation de la pression (il s'agit d'une anomalie : les températures de fusion croissent normalement avec la pression) jusqu'à un minimum de -22 °C (cf diagramme de phase de la glace) pour une pression d'environ 0,2 GPa (ici commence le domaine de la glace III).

Cristaux de givre (Le givre est un dépôt de micro-gouttelettes d'eau surfondue (= en surfusion) sur une surface lorsque la température est sous le point de congélation (0 °C). En effet, l'eau peut rester...) sur la branche d'un arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en général au delà de sept mètres. Les arbres acquièrent une structure rigide composée d'un tronc qui peut...)

En fonction des conditions de température et de pression, la glace peut adopter d'autres structures cristallines, généralement plus compactes que la glace ordinaire ; certaines de ces variétés de glace peuvent se rencontrer dans les conditions extrêmes régnant à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) d'autres planètes ou satellites (Satellite peut faire référence à :) du système solaire :

  • glace Ic (basse température, cubique à faces centrées, densité : env. 0,9) ;
  • glace II (basse température, orthorhombique centrée, densité : env. 1,2) ;
  • glace III (basse température, tétragonal, densité : env. 1,1) ;
  • glace IV (basse température, densité : 1,29) ;
  • glace V (haute pression, basse température, monoclinique à base centrée, densité : env. 1,2) ;
  • glace VI (haute pression, basse température, tétragonale, densité : env. 1,3) ;
  • glace VII (haute température, haute pression, cubique simple, densité : env. 1,7) ;
  • glace VIII (haute pression, tétragonale centré, densité : env. 1,6) ;
  • glace IX (haute pression, tétragonale, densité : env. 1,2) ;
  • glace X (haute pression, cubique centré) ;
  • glace XI ;
  • glace XII (haute pression, basse température, tétragonale, densité : env. 1,3) ;
  • glace XIII (obtenue à -143,15 °C et 0,5 GPa) ;
  • glace XIV (obtenue à -155,15 °C et 1,2 GPa).

Propriétés physiques de la glace ordinaire (Ih)

Roseaux pris dans la glace à proximité d'une serre (Une serre est une structure généralement close destinée à la production agricole. Elle vise à soustraire aux éléments climatiques les cultures...) froide. En cas de froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) intense, les agriculteurs pulvérisent de l'eau sur la serre pour protéger les cultures en formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur...) une sorte d'igloo (Un igloo (mot inuktitut, signifiant « maison »), ou iglou selon la nouvelle orthographe, est soit un abri construit en blocs de neige (L'igloo de neige, le plus...).
Bloc de calcaire fracturé par le gel de l'eau incluse dans la roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est...) microporeuse, ici photographié deux ans après l'exposition du bloc au gel, dans le nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) de la France. Le gel participe ainsi aux processus d'érosion, mais aussi de production de sol par délitement de la roche.

La masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante de la quantité choisie : c'est une...) de la glace est de 917 kg/m³ à °C, et son coefficient de dilatation (Les coefficients de dilatation mesurent l'augmentation relative de volume d'un système lorsque l'on ne fait varier qu'un seul paramètre, en général la pression ou la température.) linéaire est d'environ 9·10− 5/K, toujours à °C.

Propriétés mécaniques

Le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace vectoriel, une fonction de base et ainsi de...) de dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Dans le cas d'un gaz, il y a...) linéaire de la glace est d'environ 9·10− 5/K à °C. La compressibilité de la glace est de l'ordre de 12·10− 12/Pa.

La limite d'élasticité de la glace varie énormément suivant la qualité de la glace utilisée : 10 kPa pour la glace de glacier (Un glacier est une masse de glace plus ou moins étendue qui se forme par le tassement de couches de neige accumulées. Écrasée...), 60 kPa pour de la glace artificielle.

Les valeurs admises pour le module d'Young de la glace se situent environ à 9,33 GPa (V.F. Petrenko, Physics of Ice)

Sa limite de plasticité est de 3,5 MPa (en compression) ; le rapport limite de plasticité/limite d'élasticité de la glace se range parmi les plus grands de tous les solides connus (environ 2 pour l'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de l’acier) et de la construction...), et jusqu'à 10 pour le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous...) doux).

Une formule empirique permet de déterminer la pression supportable par une couche de glace ; si l'on considère H l'épaisseur de glace en centimètres, alors 4·H² donnera le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de kg par m² que la couche pourra supporter sans se briser.

Propriétés thermiques

À °C, la chaleur latente (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleur nécessaire à l'unité de quantité de...) de fusion de la glace est de 333 kJ·kg− 1 et sa capacité thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de...) massique est de 2,06 kJ·kg− 1·K− 1 ; celle-ci n'est que la moitié de la capacité thermique massique de l'eau à °C (4,217 kJ·kg− 1·K− 1), et varie de façon quasi linéaire en fonction de la température (+ 0,17 %/K).

La conductivité thermique de la glace est de 2,1 W·m− 1·K− 1 à °C, et augmente avec l'abaissement de la température (pente de l'ordre de − 0,57 %/K) ; elle est donc toujours bien supérieure à la conductivité thermique de l'eau à °C, égale à 0,55 W·m− 1·K− 1.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0. Vous pouvez soumettre une modification à cette définition sur cette page.

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