Surfusion - Définition

Introduction

La surfusion est l'état d’une matière qui demeure en phase liquide alors que sa température est plus basse que son point de solidification. C'est un état dit métastable, c'est-à-dire qu'une petite perturbation peut suffire pour déclencher abruptement le changement vers la phase solide. Un état apparenté, appelé « retard à l'ébullition (en) », existe pour une matière qui demeure en phase liquide alors que sa température est plus élevée que son point d'ébullition.

Principe

La surfusion est due à l'énergie de tension superficielle à l'interface solide-liquide. De manière simplifiée, on peut considérer que dans un liquide libre d'impuretés, les petits germes de solide en voie de congélation sont instables car ils sont refondus par l'agitation thermique. Plus rigoureusement, l'énergie libérée par la solidification (chaleur latente de fusion) ne compense pas l'énergie dépensée pour créer l'interface solide-liquide. Le liquide continue donc à se refroidir sans solidifier. Cet état peut être déstabilisé par l'ajout d'impuretés microscopiques (poussière) ou un cristal de glace, pouvant servir de noyaux de condensation, ou par un brassage qui stimule la formation de cristaux suffisamment gros pour ne pas refondre.

Une explication alternative serait liée à l'impossibilité de paver l’espace périodiquement avec un type de solide régulier. Cette hypothèse s'est, en avril 2010, vue renforcée par les travaux de chercheurs de l'ESRF travaillant sur les processus de croissance de nanofils semi-conducteurs et s'apercevant qu’un alliage d’or et de silicium présente aussi ce phénomène de surfusion.

Surfusion de l'eau

L'eau peut se présenter sous forme surfondue dans un intervalle de température allant de 0 °C à -39 °C. L'eau surfondue se congèlera dès qu'elle entrera en contact avec une surface solide ou un type particulier d'aérosol appelé « noyau de congélation ».

Un exemple en vidéo.

Effet stabilisateur des gaz dissouts

La présence de gaz dissouts (souvent appelés gaz « mélangés ») contribuent au maintien de cet état liquide à une température inférieure à la température de fusion. Leur présence crée une agitation moléculaire ayant le même effet que la chaleur. En abaissant lentement la température d'un verre d'eau (par exemple 1/2 degré par jour) on augmente la quantité de gaz mélangés. Arrivé à moins deux degrés, on peut ajouter des impuretés à la surface, l'eau restera liquide, même en continuant à baisser progressivement la température. Si on agite, on libère les gaz mélangés et l'eau gèle instantanément.

L'expérience suivante est très simple à réaliser. Prenez une bouteille neuve (en plastique pour ne pas qu'elle vous explose à la figure) de boisson pétillante et placez-là entre -5 et -8°C. Après quelques heures, l'échange de chaleur est fait et la boisson reste liquide. Ouvrez la bouteille, du gaz s'échappe et tout le contenu gèle en quelques secondes.

En météorologie

L'eau surfondue joue un rôle important dans plusieurs phénomènes météorologiques.

L'eau surfondue n'est pas rare dans les nuages, où les avions qui la rencontrent sont sujets au givrage. Cette accumulation de glace est particulièrement dangereuse car même une mince couche de glace sur des ailes peut diminuer leur portance, entrainant un risque de décrochage. De plus, les verrières peuvent aussi se couvrir de givre. Au sein des nuages, l'eau surfondue joue aussi un rôle primordial dans les processus menant à la formation de précipitation.

Sur l'océan, par temps très froid et venteux, les embruns peuvent devenir surfondus et geler sur la superstructure des navires. Cette situation peut compromettre leur stabilité et les mettre en danger.

Lorsque la pluie ou la bruine entrent dans une couche d'air plus froide que le point de congélation, les gouttelettes qui les composent peuvent devenir surfondues ; lorsqu'elles atteignent le sol, leur eau se transforme brutalement en glace, ce qui occasionne du verglas.