Quanta Magazine

29 juin 2022

On ne sait pas si l'eau chaude ou froide gèle plus rapidement.

Francis Chee / SPL / Source scientifique

Auteur collaborateur

29 juin 2022

Cela ressemble à l'une des expériences les plus simples possibles : prenez deux tasses d'eau, une chaude et une froide. Placez les deux dans un congélateur et notez lequel gèle en premier. Le bon sens suggère que l'eau plus froide le fera. Mais des sommités comme Aristote, René Descartes et Sir Francis Bacon ont tous observé que l'eau chaude peut en fait se refroidir plus rapidement. De même, les plombiers signalent que les conduites d'eau chaude éclatent par temps glacial tandis que les conduites froides restent intactes. Pourtant, depuis plus d'un demi-siècle, les physiciens se disputent pour savoir si quelque chose comme ça se produit vraiment.

Le terme moderne pour désigner l'eau chaude qui gèle plus rapidement que l'eau froide est l'effet Mpemba, du nom d'Erasto Mpemba, un adolescent tanzanien qui, avec le physicien Denis Osborne, en a mené les premières études scientifiques systématiques dans les années 1960. Bien qu'ils aient pu observer l'effet, les expériences de suivi n'ont pas réussi à reproduire systématiquement ce résultat. Les expériences de précision pour étudier le gel peuvent être influencées par de nombreux détails subtils, et les chercheurs ont souvent du mal à déterminer s'ils ont pris en compte toutes les variables de confusion.

Au cours des dernières années, alors que la controverse se poursuit sur la question de savoir si l'effet Mpemba se produit dans l'eau, le phénomène a été repéré dans d'autres substances - polymères cristallins, solides ressemblant à de la glace appelés hydrates de clathrate et minéraux de manganite se refroidissant dans un champ magnétique. Ces nouvelles orientations aident les chercheurs à jeter un coup d'œil sur la dynamique complexe des systèmes qui sont hors de l'équilibre thermodynamique. Un contingent de physiciens modélisant des systèmes hors équilibre a prédit que l'effet Mpemba devrait se produire dans une grande variété de matériaux (ainsi que son inverse, dans lequel une substance froide se réchauffe plus rapidement qu'une substance chaude). Des expériences récentes semblent confirmer ces idées.

Pourtant, la substance la plus familière de toutes, l'eau, s'avère la plus glissante.

"Un verre d'eau coincé dans un congélateur semble simple", a déclaré John Bechhoefer, physicien à l'Université Simon Fraser au Canada, dont les expériences récentes sont les observations les plus solides de l'effet Mpemba à ce jour. "Mais ce n'est en fait pas si simple une fois que vous commencez à y penser."

"Je m'appelle Erasto B. Mpemba, et je vais vous faire part de ma découverte, due à une mauvaise utilisation d'un réfrigérateur." Ainsi commence un article de 1969 dans la revue Physics Education dans lequel Mpemba décrit un incident à l'école secondaire de Magamba en Tanzanie alors que lui et ses camarades de classe fabriquaient de la crème glacée.

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Le regretté Erasto Mpemba a lancé des décennies de recherche pour savoir si l'eau chaude gèle plus rapidement que l'eau froide.

PA Images / Alamy Banque D'Images

L'espace était limité dans le réfrigérateur des étudiants, et dans la précipitation pour attraper le dernier bac à glace disponible, Mpemba a choisi de ne pas attendre que sa concoction de lait bouilli et de sucre refroidisse à température ambiante comme les autres étudiants l'avaient fait. Une heure et demie plus tard, son mélange s'était figé en crème glacée, tandis que ceux de ses camarades de classe plus patients restaient une bouillie liquide épaisse. Lorsque Mpemba a demandé à son professeur de physique pourquoi cela s'était produit, on lui a répondu : « Vous étiez confus. Cela ne peut pas arriver.

Plus tard, Osborne est venu visiter la classe de physique du lycée de Mpemba. Il se souvient que l'adolescent avait levé la main et demandé : « Si vous prenez deux béchers avec des volumes égaux d'eau, l'un à 35 °C et l'autre à 100 °C, et que vous les mettez dans un réfrigérateur, celui qui a commencé à 100 °C gèle en premier. Pourquoi ? Intrigué, Osborne a invité Mpemba au Collège universitaire de Dar es Salaam, où ils ont travaillé avec un technicien et trouvé des preuves de l'effet qui porte le nom de Mpemba. Pourtant, Osborne a conclu que les tests étaient rudimentaires et que des expériences plus sophistiquées seraient nécessaires pour comprendre ce qui pourrait se passer.

Au fil des décennies, les scientifiques ont proposé une grande variété d'explications théoriques pour expliquer l'effet Mpemba. L'eau est une substance étrange, moins dense lorsqu'elle est solide que liquide, et dont les phases solide et liquide peuvent coexister à la même température. Certains ont suggéré que le chauffage de l'eau pourrait détruire le réseau lâche de liaisons hydrogène polaires faibles entre les molécules d'eau dans un échantillon, augmentant son désordre, ce qui réduit ensuite la quantité d'énergie nécessaire pour refroidir l'échantillon. Une explication plus banale est que l'eau chaude s'évapore plus vite que l'eau froide, ce qui diminue son volume et donc le temps qu'il faut pour geler. L'eau froide peut également contenir plus de gaz dissous, ce qui abaisse son point de congélation. Ou peut-être que des facteurs externes entrent en jeu : une couche de givre dans un congélateur peut agir comme un isolant, empêchant la chaleur de s'échapper d'une tasse froide, tandis qu'une tasse chaude fera fondre le givre et refroidira plus rapidement.

Ces explications supposent toutes que l'effet est réel - que l'eau chaude gèle vraiment plus vite que le froid. Mais tout le monde n'est pas convaincu.

En 2016, le physicien Henry Burridge de l'Imperial College de Londres et le mathématicien Paul Linden de l'Université de Cambridge ont réalisé une expérience qui a montré à quel point l'effet est sensible aux particularités de la mesure. Ils ont émis l'hypothèse que l'eau chaude pourrait d'abord former des cristaux de glace, mais qu'elle mettrait plus de temps à geler complètement. Ces deux événements sont difficiles à mesurer, alors Burridge et Linden ont plutôt noté combien de temps il a fallu à l'eau pour atteindre zéro degré Celsius. Ils ont constaté que les lectures dépendaient de l'endroit où ils plaçaient le thermomètre. S'ils comparaient les températures entre des tasses chaudes et froides à la même hauteur, l'effet Mpemba n'apparaissait pas. Mais si les mesures étaient erronées ne serait-ce que d'un centimètre, elles pourraient produire de fausses preuves de l'effet Mpemba. En parcourant la littérature, Burridge et Linden ont constaté que seuls Mpemba et Osborne, dans leur étude classique, ont vu un effet Mpemba trop prononcé pour être attribué à ce type d'erreur de mesure.

Les résultats « mettent en évidence la sensibilité de ces expériences même lorsque vous n'incluez pas le processus de congélation », a déclaré Burridge.

Pourtant, bon nombre de chercheurs pensent que l'effet Mpemba peut se produire, du moins sous certaines conditions. Après tout, Aristote écrivait au IVe siècle avant notre ère que "beaucoup de gens, lorsqu'ils veulent refroidir rapidement l'eau, commencent par la mettre au soleil", dont les avantages étaient vraisemblablement perceptibles avant même l'invention des thermomètres sensibles. Mpemba, d'âge scolaire, a également pu observer la différence subtile entre sa crème glacée congelée et la bouillie de ses camarades de classe. Pourtant, les découvertes de Burridge et Linden mettent en évidence une raison clé pour laquelle l'effet Mpemba, réel ou non, pourrait être si difficile à cerner : la température varie dans une tasse d'eau qui se refroidit rapidement parce que l'eau est hors d'équilibre, et les physiciens comprennent très peu les systèmes hors équilibre.

A l'équilibre, un fluide dans une bouteille peut être décrit par une équation à trois paramètres : sa température, son volume et le nombre de molécules. Mettez cette bouteille dans un congélateur, et tous les paris sont ouverts. Les particules du bord extérieur seront plongées dans un environnement glacé tandis que celles plus profondes resteront chaudes. Des étiquettes comme la température et la pression ne sont plus bien définies mais fluctuent constamment.

Lorsque Zhiyue Lu de l'Université de Caroline du Nord a entendu parler de l'effet Mpemba au collège, il s'est faufilé dans une raffinerie de pétrole dans la province du Shandong en Chine où sa mère travaillait et utilisait un équipement de laboratoire de précision pour mesurer la température en fonction du temps dans un échantillon d'eau (il a fini par surrefroidir l'eau sans qu'elle ne gèle). Plus tard, alors qu'il étudiait la thermodynamique hors d'équilibre en tant qu'étudiant diplômé, il a tenté de recadrer son approche de l'effet Mpemba. "Existe-t-il une règle thermodynamique interdisant ce qui suit : quelque chose qui commence plus loin de l'équilibre final et qui s'approcherait de l'équilibre plus rapidement que quelque chose qui part de près ?" Il a demandé.

Zhiyue Lu de l'Université de Caroline du Nord (en haut) et Oren Raz de l'Institut Weizmann des sciences en Israël ont montré que les liquides chauds peuvent trouver des "raccourcis étranges" vers leurs points de congélation.

Robert Filcsik (en haut); Itai Belson / Institut Weizmann des sciences

Zhiyue Lu de l'Université de Caroline du Nord (à gauche) et Oren Raz de l'Institut Weizmann des sciences en Israël ont montré que les liquides chauds peuvent trouver des "raccourcis étranges" vers leurs points de congélation.

Robert Filcsik (à gauche); Itai Belson / Institut Weizmann des sciences

Lu a rencontré Oren Raz, qui étudie maintenant la mécanique statistique hors d'équilibre à l'Institut Weizmann des sciences en Israël, et ils ont commencé à développer un cadre pour étudier l'effet Mpemba en général, pas seulement dans l'eau. Leur article de 2017 dans les Actes de l'Académie nationale des sciences a modélisé la dynamique aléatoire des particules, montrant qu'en principe, il existe des conditions de non-équilibre dans lesquelles l'effet Mpemba et son inverse pourraient se produire. Les résultats abstraits suggèrent que les composants d'un système plus chaud, du fait qu'ils ont plus d'énergie, sont capables d'explorer plus de configurations possibles et donc de découvrir des états qui agissent comme une sorte de dérivation, permettant au système chaud de dépasser un système froid alors que les deux chutent vers un état final plus froid.

"Nous avons tous cette image naïve qui dit que la température devrait changer de manière monotone", a déclaré Raz. "Vous commencez à une température élevée, puis une température moyenne, et vous passez à une température basse." Mais pour quelque chose hors d'équilibre, "ce n'est pas vraiment vrai de dire que le système a une température" et "puisque c'est le cas, vous pouvez avoir d'étranges raccourcis".

Le travail stimulant a suscité l'intérêt d'autres personnes, y compris un groupe espagnol qui a commencé à simuler ce que l'on appelle des fluides granulaires - des collections de particules rigides qui peuvent s'écouler comme des liquides, comme du sable ou des graines - et a montré que ceux-ci aussi peuvent avoir des effets de type Mpemba. La physicienne statistique Marija Vucelja de l'Université de Virginie a commencé à se demander à quel point le phénomène pouvait être courant. "Est-ce que c'est comme une aiguille dans une botte de foin, ou cela pourrait-il être utile pour des protocoles de chauffage ou de refroidissement optimaux ?" elle a demandé. Dans une étude de 2019, elle, Raz et deux co-auteurs ont découvert que l'effet Mpemba pouvait apparaître dans une fraction importante de matériaux désordonnés, comme le verre. Bien que l'eau ne soit pas un tel système, les résultats ont couvert une énorme variété de matériaux possibles.

Pour déterminer si ces intuitions théoriques avaient une base réelle, Raz et Lu ont contacté Bechhoefer, un expérimentateur. "Littéralement, ils m'ont en quelque sorte attrapé après une conversation et ont dit:" Hé, nous avons quelque chose dont nous voulons que vous entendiez parler "", se souvient Bechhoefer.

La configuration expérimentale que Bechhoefer et son collaborateur Avinash Kumar ont imaginée offre un regard très conceptuel et dépouillé sur une collection de particules sous l'influence de différentes forces. Une perle de verre microscopique représentant une particule est placée dans un "paysage énergétique" en forme de W, créé à l'aide de lasers. La plus profonde des deux vallées de ce paysage est un lieu de repos stable. La vallée moins profonde est un état "métastable" - une particule peut y tomber mais peut éventuellement être projetée dans le puits plus profond. Les scientifiques ont immergé ce paysage dans l'eau et ont utilisé des pincettes optiques pour positionner la perle de verre à l'intérieur 1 000 fois différentes ; collectivement, les essais sont équivalents à un système avec 1 000 particules.

Un système initialement "chaud" était celui où la perle de verre pouvait être placée n'importe où, car les systèmes plus chauds ont plus d'énergie et peuvent donc explorer davantage le paysage. Dans un système "chaud", la position de départ était confinée à une zone plus petite à proximité des vallées. Pendant le processus de refroidissement, la perle de verre s'est d'abord déposée dans l'un des deux puits, puis a passé une période plus longue à sauter entre eux, secouée par des molécules d'eau. Le refroidissement a été considéré comme complet lorsque la bille de verre s'est stabilisée en passant des quantités spécifiques de temps dans chaque puits, comme 20 % de son temps dans le métastable et 80 % dans le stable. (Ces ratios dépendaient de la température initiale de l'eau et de la taille des vallées.)

Pour certaines conditions initiales, le système chaud a mis plus de temps à s'installer dans une configuration finale que le système chaud, ce qui correspond à nos intuitions. Mais parfois, les particules du système chaud se sont déposées plus rapidement dans les puits. Lorsque les paramètres expérimentaux ont été parfaitement réglés, les particules du système chaud ont presque immédiatement trouvé leur configuration finale, se refroidissant de manière exponentielle plus rapidement que le système chaud – une situation que Raz, Vucelja et ses collègues avaient prédite et nommée le fort effet Mpemba. Ils ont rapporté les résultats dans un article de Nature 2020 et publié des expériences similaires montrant l'effet Mpemba inverse dans le PNAS plus tôt cette année.

"Les résultats sont clairs", a déclaré Raúl Rica Alarcón de l'Université de Grenade en Espagne, qui travaille sur des expériences indépendantes liées à l'effet Mpemba. "Ils montrent qu'un système plus éloigné de la cible peut atteindre cette cible plus rapidement qu'un autre plus proche de la cible."

Des expériences récentes avec des lasers et des billes de verre par Avinash Kumar (en haut) et John Bechhoefer de l'Université Simon Fraser indiquent que les liquides chauds peuvent en effet se détendre plus rapidement que les liquides froids jusqu'à l'équilibre.

Simon Fraser University (top); Dianne Mar-Nicolle

Des expériences récentes avec des lasers et des billes de verre par Avinash Kumar (à gauche) et John Bechhoefer de l'Université Simon Fraser indiquent que les liquides chauds peuvent en effet se détendre plus rapidement que les liquides froids jusqu'à l'équilibre.

Université Simon Fraser (à gauche); Diane Mar-Nicolle

Pourtant, tout le monde n'est pas entièrement convaincu que l'effet Mpemba a été démontré dans n'importe quel système. "Je lis toujours ces expériences et je ne suis pas impressionné par la rédaction", a déclaré Burridge. "Je ne trouve jamais d'explication physique claire, et je pense que cela nous laisse avec une question intéressante quant à savoir si les effets de type Mpemba existent de manière significative."

Les essais de Bechhoefer semblent offrir un aperçu de la façon dont l'effet Mpemba pourrait survenir dans des systèmes avec des états métastables, mais on ne sait pas s'il s'agit du seul mécanisme ou comment une substance particulière subit un tel chauffage ou refroidissement hors d'équilibre.

Déterminer si le phénomène se produit dans l'eau reste une autre question ouverte. En avril, Raz et son étudiant diplômé Roi Holtzman ont publié un article montrant que l'effet Mpemba pourrait se produire par un mécanisme connexe que Raz a précédemment décrit avec Lu dans des systèmes qui subissent une transition de phase de second ordre, ce qui signifie que leurs formes solides et liquides ne peuvent pas coexister à la même température. L'eau n'est pas un tel système (elle a des transitions de phase de premier ordre), mais Bechhoefer a décrit le travail comme se faufilant progressivement sur une réponse pour l'eau.

Au moins, les travaux théoriques et expérimentaux sur l'effet Mpemba ont commencé à donner aux physiciens une prise en main des systèmes hors d'équilibre qui leur manquent autrement. "La relaxation vers l'équilibre est une question importante pour laquelle, franchement, nous n'avons pas de bonne théorie", a déclaré Raz. Identifier quels systèmes pourraient se comporter de manière étrange et contre-intuitive "nous donnerait une bien meilleure image de la façon dont les systèmes se détendent vers l'équilibre".

Après avoir déclenché une controverse de plusieurs décennies avec ses interrogatoires d'adolescent, Mpemba lui-même a continué à étudier la gestion de la faune, devenant un officier principal du gibier au ministère tanzanien des ressources naturelles et du tourisme avant de prendre sa retraite. Selon Christine Osborne, la veuve de Denis Osborne, Mpemba est décédé vers 2020. La science continue de jaillir de son insistance sur l'effet qui porte son nom. Osborne, discutant ensemble des résultats de leurs enquêtes, a tiré une leçon du scepticisme et du rejet initiaux auxquels l'affirmation contre-intuitive de l'écolier avait été confrontée: "Cela montre le danger d'une physique autoritaire."

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29 juin 2022

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