Glace - Définition

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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...) est sous forme de glace lorsque sa température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) 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...) qui est, par convention, de °C (soit 273,15 K).

Cependant, en l'absence de cristal de glace (Un cristal de glace est la cristallisation de la vapeur d'eau contenue dans l'air sans passer par...), 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...) pour la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...) 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 représentation graphique utilisée en thermodynamique (voir...) ci-après. Elle existe également sous forme amorphe.

Diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées,...) de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) de la glace — pressions (1 GPa = 10 000 bars) en échelle logarithmique (Une échelle logarithmique est un système de graduation sur une demi-droite [Ox),...)

À la pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression qu'exerce le mélange gazeux constituant...) normale (et jusqu'à une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) d'environ 0,2 GPa ou 2 000 bars), les molécules d'eau de la glace ordinaire forment une structure cristalline (La structure cristalline (ou structure d'un cristal) est complètement décrite par les...) suivant un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) 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 (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) 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 de fusion (Le point de fusion' ou la température de fusion d'un corps représente la température...) 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...) sur la branche d'un arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en...)

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...) 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...) 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...) une sorte d'igloo (Un igloo (mot inuktitut, signifiant « maison »), ou iglou selon la nouvelle...).
Bloc de calcaire (Les calcaires sont des roches sédimentaires, troisièmes plus abondantes après les...) fracturé par le gel de l'eau incluse dans la roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce...) 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 (La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par...) 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...) 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...) de dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement,...) linéaire de la glace est d'environ 9·10− 5/K à °C. La compressibilité (La compressibilité est une caractéristique d'un corps, définissant sa variation relative de...) 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...), 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...), et jusqu'à 10 pour le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...) 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...) 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...) de fusion de la glace est de 333 kJ·kg− 1 et sa capacité thermique massique (La chaleur massique ou chaleur spécifique (symbole c ou s), qu'il convient d'appeler...) est de 2,06 kJ·kg− 1·K− 1 ; celle-ci n'est que la moitié de la capacité thermique (La capacité thermique (ou capacité calorifique) d'un corps est une grandeur permettant de...) 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 (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des...) 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.

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