Pression de l'eau glaciale. Propriétés de l'eau : « Des miracles ordinaires » dans nos vies

L'eau est la substance la plus répandue et la plus mystérieuse de notre planète. Il possède des propriétés simples connues depuis l’Antiquité. C’est grâce à ces caractéristiques qu’on l’appelle la « base de la vie ». Alors, quelle est la « merveille » de ces propriétés ? Voyons cela.

Fluidité. Propriété principale de tous les liquides, y compris l'eau. Sous l'influence de forces extérieures, il est capable de prendre la forme de n'importe quel vaisseau. Et cela garantit sa disponibilité universelle. L'eau coule dans les conduites d'eau et forme des lacs, des rivières et des mers. Et, plus important encore, vous pouvez toujours l'emporter avec vous dans n'importe quel emballage pratique - d'une petite bouteille à un énorme réservoir.

Propriétés de température. L'eau chaude est plus légère que l'eau froide et monte toujours. Par conséquent, nous pouvons cuisiner de la soupe en chauffant la poêle uniquement par le bas, et non de tous les côtés à la fois. Grâce à ce phénomène, appelé « convection », la plupart des habitants des masses d'eau terrestres vivent plus près de la surface.

Mais la propriété thermique la plus importante de l'eau est sa capacité calorifique élevée - 10 fois supérieure à celle du fer. Cela signifie que le chauffer nécessite une grande quantité d’énergie, mais lorsqu’il refroidit, la même quantité d’énergie est libérée. Les systèmes de chauffage de nos maisons - ainsi que les systèmes de refroidissement utilisés dans l'industrie - reposent sur ce principe.

De plus, les mers et les océans jouent le rôle de thermorégulateur de la Terre, atténuant les changements saisonniers de température, absorbant la chaleur en été et la restituant en hiver. Et avec la combinaison de la capacité thermique et de la convection, vous pouvez même chauffer un continent entier ! Nous parlons de la « batterie principale de l’Europe », le chaud Gulf Stream. Des courants géants d'eau chaude, se déplaçant à la surface de l'Atlantique, assurent sur sa côte une température confortable, atypique pour ces latitudes.

Gel. Le point de congélation de l'eau est classiquement égal à 0 degré, mais en fait ce paramètre dépend de plusieurs facteurs : la pression atmosphérique, le récipient dans lequel l'eau est placée et la présence d'impuretés dans celui-ci.

L’eau est unique en ce sens que, contrairement à d’autres substances, elle se dilate lorsqu’elle gèle. Compte tenu de nos hivers rigoureux, cela peut peut-être être qualifié de propriété négative. En gelant et en augmentant de volume, l'eau (ou plutôt la glace) déchire simplement les tuyaux métalliques.

Ainsi, lorsqu’elle passe à l’état solide, l’eau augmente de volume, mais devient moins dense. Par conséquent, la glace est toujours plus légère que l’eau et se trouve à sa surface. De plus, il conduit mal la chaleur : même pendant les hivers les plus froids, la vie reste dans les réservoirs de la planète. Après tout, plus le « coussin » de glace est épais, plus l’eau en dessous est chaude. De plus, grâce à cette propriété, certains peuples construisent encore ce qu'on appelle des « glaciers » - des caves ou des grottes bordées de glace, qui ne fondent pas même en été et permettent de conserver les aliments pendant très longtemps.

Certains scientifiques ont même proposé d’utiliser la glace pour lutter contre le réchauffement climatique. L’essence de l’idée est la suivante : un navire spécial remorque un iceberg dérivant quelque part près de l’Antarctique. Et puis il l’entraîne dans des régions chaudes où les gens souffrent de la chaleur. L'iceberg fond, apportant de la fraîcheur à toute la région côtière. Il s’agit du Gulf Stream inversé, créé uniquement par l’homme.

Ébullition. Passons de la glace froide à la vapeur chaude. Tout le monde sait que l’eau bout à une température de 100 degrés Celsius. Mais cela ne se produit que dans des conditions de composition de l’air et de pression atmosphérique normales. Mais au sommet de l’Everest, où la pression est plus basse et l’air plus raréfié, votre bouilloire bouillira déjà à 68 degrés ! L’eau bouillante aide à tuer les micro-organismes nuisibles. Les aliments cuits à la vapeur sont également beaucoup plus sains que les aliments frits.

De plus, la vapeur d’eau peut être qualifiée de véritable moteur de la civilisation. Pas même cent ans ne se sont écoulés depuis l’ère des machines à vapeur, et beaucoup qualifient encore à tort les locomotives ferroviaires (qui fonctionnent désormais principalement à l’électricité) de « locomotives à vapeur ».

Au fait, à propos de l'électricité. Sans vapeur, il resterait encore une curiosité rare et coûteuse. Après tout, le principe de fonctionnement de la plupart des centrales électriques repose sur la rotation du rotor sous la pression de la vapeur chaude. Les centrales nucléaires modernes ne diffèrent des anciennes centrales au charbon ou au fioul que par le principe de chauffage de l'eau. Même l'énergie solaire innovante et sûre utilise la vapeur : d'immenses miroirs, comme une loupe, concentrent les rayons du soleil sur un réservoir d'eau, la transformant en vapeur pour les turbines électriques.

Dissolution. Une autre propriété importante de l’eau, sans laquelle non seulement la science et l’industrie, mais aussi la vie elle-même seraient impossibles ! Selon vous, qu’est-ce que le plasma sanguin a en commun avec votre soda préféré ? La réponse est simple : la soude est une solution aqueuse de divers sels, minéraux et gaz. Le plasma est constitué à 90 % d’eau, ainsi que de protéines et d’autres substances. Et chaque cellule d’un organisme vivant reçoit les substances dont elle a besoin, également sous forme de solution aqueuse.

L’eau est le solvant naturel le plus simple, le plus sûr, mais néanmoins le plus fiable. Presque toutes les substances peuvent être « prises en sandwich » entre leurs molécules mobiles – des liquides aux métaux. Cette magnifique propriété a été remarquée à l'aube de l'humanité. Les artistes anciens dissolvaient des colorants naturels dans l’eau pour peindre sur les parois des grottes. Puis les alchimistes médiévaux ont pris le relais, dissolvant diverses substances dans l’eau dans l’espoir d’obtenir une « pierre philosophale » qui transformerait n’importe quel matériau en or. Et maintenant, cette propriété est utilisée avec succès par les chimistes modernes.

Tension superficielle. La plupart des gens, lorsqu’ils entendent parler de la tension superficielle de l’eau, se souviennent seulement des insectes marcheurs aquatiques glissant sur la surface d’un étang ou d’une flaque d’eau. Pendant ce temps, sans cette propriété de l’eau, il est même impossible de se laver les mains ! C'est grâce à cela que se forme la mousse de savon. Et il est également difficile de se sécher les mains avec une serviette sans en avoir une. Après tout, tous les matériaux absorbants (peu importe une serviette en papier ou un chiffon en microfibre) ont des pores microscopiques dans lesquels l'humidité est absorbée en raison de la tension superficielle. Pour la même raison, l’eau s’engouffre dans les capillaires les plus fins qui pénètrent dans les racines des plantes. Et la préparation de mélanges de construction secs est également possible grâce à la tension superficielle de l'eau ajoutée.

Les molécules d'eau sont activement attirées les unes vers les autres, de sorte que sa surface pour un volume donné tend vers un minimum. C’est pourquoi la forme naturelle de tout liquide est une sphère. Cela peut être facilement vérifié si vous vous trouvez en apesanteur. Bien que pour une telle expérience, il ne soit pas nécessaire de voler dans l'espace, il suffit d'utiliser une seringue pour injecter de l'eau dans un verre d'huile végétale et d'observer comment elle se forme en boules.

Densité

La densité de la glace pure ρ h à une température de 0 °C et une pression de 1 atm (1,01105 Pa) est égale à 916,8 kg/m 3. À mesure que la pression augmente, la densité de la glace augmente légèrement. Ainsi, à la base de la calotte glaciaire de l'Antarctique, aux endroits où elle a la plus grande épaisseur, atteignant 4 200 m, la densité de la glace peut atteindre 920 kg/m3. La densité de la glace augmente également avec la diminution de la température (d'environ 1,5 kg/m 3 lorsque la température diminue de 10 °C).

Déformation thermique

Avec une diminution de la température, les dimensions linéaires et le volume des échantillons et des masses de glace diminuent, et avec une augmentation de la température, le processus inverse est observé : la dilatation thermique de la glace. Le coefficient de dilatation linéaire de la glace dépend de la température et augmente à mesure qu'elle augmente. Dans la plage de température de -20 à 0 °C, le coefficient de dilatation linéaire est en moyenne de 5,5 à 10~5. et le coefficient de dilatation volumétrique est par conséquent de 16,5 à 10"5 pour 1 °C. Dans la plage de -40 à -20 °C, le coefficient de dilatation linéaire diminue jusqu'à 3,6-10"5 pour 1 °C.

Chaleur de fusion et de sublimation

La quantité de chaleur nécessaire pour faire fondre une unité de masse de glace sans modifier sa température est appelée chaleur spécifique de fusion de la glace. L'eau glacée dégage la même quantité de chaleur. À 0 °C et à pression atmosphérique normale, la chaleur spécifique de fonte de la glace est L pl = 333,6 kJ/kg.

La chaleur latente d'évaporation de l'eau, en fonction de sa température, est égale à
L isp = 2 500 - 246 kJ/kg,
où 6 est la température de la glace en °C.

Chaleur spécifique de sublimation de la glace, c'est-à-dire la quantité de chaleur nécessaire à la transition directe de la glace fraîche en vapeur à température constante est égale à la somme de la chaleur nécessaire pour faire fondre la glace L et évaporer l'eau L eva :
L sous =L sous +L utiliser

La chaleur spécifique de sublimation est presque indépendante de la température de la glace qui s'évapore (à 0 °C L sublime = 2834 kJ/kg, à -10 °C - 2836, à -20 °C - 2837 kJ/kg). Lorsque la vapeur se sublime, une quantité similaire de chaleur est libérée.

Capacité thermique

La quantité de chaleur nécessaire pour chauffer une unité de masse de glace de 1 °C à pression constante est appelée capacité thermique spécifique de la glace. La capacité calorifique de la glace fraîche C l diminue avec la diminution de la température :
C l = 2,12 + 0,00786 kJ/kg.

Relation

La glace a la propriété de résorption (gel), qui se caractérise par le fait que lorsque deux morceaux de glace entrent en contact et se compriment, ils gèlent ensemble. Sous l'influence de pressions accrues locales aux contacts, une certaine fonte de la glace peut se produire. L'eau résultante est expulsée vers des endroits où la pression est moindre et y gèle. Le gel des surfaces glacées peut se produire sans pression et sans la participation de la phase liquide.

Grâce aux propriétés de résorption, les fissures des calottes glaciaires et des massifs sont capables de « cicatriser » et la glace fissurée peut se transformer en glace monolithique. Ceci est très important lors de l'utilisation de la glace comme matériau de construction pour la construction d'ouvrages d'art (entrepôts de glace, noyaux étanches d'ouvrages hydrauliques, etc.).

Métamorphisme

Le métamorphisme de la glace est un changement dans sa structure et sa texture sous l'influence de processus moléculaires et thermodynamiques. Ces processus se manifestent le plus pleinement dans la formation de glace métamorphique, lorsqu'un agrégat continu et impénétrable de cristaux de glace se forme au fil du temps à partir d'une accumulation initiale de particules de neige se touchant à peine. Dans ce cas, des déplacements relatifs des cristaux, des changements de surface dans leur forme et leur taille, une déformation et une croissance de certains cristaux au détriment d'autres se produisent.

Dans la glace cristalline, le métamorphisme se produit majoritairement sous forme de recristallisation collective avec une augmentation de la taille moyenne des cristaux et une diminution de leur nombre par unité de volume. À mesure que la taille des cristaux augmente, l’intensité de la recristallisation ralentit.

Propriétés optiques

La glace est un cristal uniaxial optiquement positif, biréfringent et possédant l'indice de réfraction le plus bas de tous les minéraux connus. En raison de la biréfringence, le flux lumineux dans le cristal est polarisé. Cela permet de déterminer la position des axes des cristaux à l'aide de Polaroïds.

Lorsque la lumière traverse la glace polycristalline, un affaiblissement du flux est observé en raison de l'absorption et de la diffusion, tandis que l'énergie lumineuse est convertie en énergie thermique, provoquant un échauffement radiatif et une fonte de la glace. La lumière diffusée se propage dans la glace dans toutes les directions, y compris en sortant par la surface irradiée. En raison de la diffusion de la lumière, la glace apparaît bleue et même émeraude, et s'il y a une quantité importante d'inclusions d'air dans la glace, elle devient blanche.

Le rapport entre la quantité d’énergie de rayonnement réfléchie par la surface de la glace et diffusée à travers la surface et l’énergie totale de la lumière arrivant à la surface est appelé albédo de la glace. La valeur d'albédo dépend de l'état de la surface de la glace - pour la glace froide et propre, la valeur d'albédo est d'environ 0,4, et en cas de fusion et de contamination de la surface, elle diminue à 0,3-0,2. Lorsque la neige se dépose sur la surface de la glace, l'albédo augmente considérablement. L'albédo de la neige varie de 0,95 pour la neige sèche fraîchement tombée dans les régions polaires et montagneuses à 0,20 pour la neige mouillée et contaminée.

Voïtkovski K.F. Fondamentaux de la glaciologie. M. : Nauka, 1999, 255 p.

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L'expansion de l'eau lors du gel est l'une des raisons d'un autre phénomène important dans la vie de la Terre : la destruction des roches. En cas de gel, la couche supérieure gèle en premier ; dans ce cas, les couches les plus profondes seront verrouillées. Lorsque ces couches commencent à geler, elles, augmentant en volume, élargiront la fissure.  

L'expansion de l'eau lors de la congélation est due au fait qu'avec une disposition irrégulière (ou avec une disposition régulière uniquement dans des zones étroites), les molécules d'eau occupent moins de volume qu'avec une orientation tout à fait régulière dans le cas de la formation d'une structure tridymite. En raison de la dilatation de l'eau lors de la congélation (selon le principe de Le Chatelier), le point de congélation diminue avec l'augmentation de la pression. Cependant, si après la congélation la pression dépasse une certaine valeur, d'autres modifications de la glace se forment, plus denses que d'habitude, voire pour la plupart plus denses que l'eau liquide. Par conséquent, l’effet d’éclatement de l’eau enfermée dans des récipients en fer ou accumulée dans les fissures des roches ne se produit pas si l’eau est déjà sous une très haute pression avant de geler.  

La dilatation de l'eau au cours de sa maturation est assez importante et est prise en compte lors du fonctionnement des chaudières à vapeur : l'allumage de la chaudière commence au niveau d'eau le plus bas des compteurs d'eau, avec TBMI, de sorte qu'au moment où la pression de vapeur dans la chaudière atteint le niveau de fonctionnement, ce niveau, augmentant sous l'effet de la dilatation de l'eau, atteindrait sa position normale.  

L'expansion de l'eau lorsqu'elle est chauffée diffère de l'expansion d'autres liquides, dont le volume augmente progressivement avec l'augmentation de la température. Si la pression atmosphérique est normale, alors l'eau occupe le plus petit volume à 4 C. À mesure que la température descend jusqu'à O C (point de congélation), le volume d'eau augmente. Sur la fig. La figure 9.4 montre un graphique du volume d'eau en fonction de la température jusqu'à 14 C seulement, mais il est déjà clair que la courbe monte plus fortement jusqu'au point d'ébullition.  

L'expansion de l'eau lors de la congélation explique également le fait que la glace flotte sur l'eau et ne tombe pas au fond.  

En raison de l'expansion de l'eau lors de la congélation dans la boîte 2 et de l'impossibilité de sa sortie dans les canaux gelés 8 de la boîte, une pression importante se forme qui, agissant sur le piston 3, la déplace vers la chemise d'eau, fait sortir le couvercle 4 et ouvre le trou fermé par ce couvercle, ce qui fait que l'eau de la chemise d'eau s'écoule.  

En raison de la dilatation de l'eau lors de la congélation (selon le principe de Le Chatelier), le point de congélation diminue avec l'augmentation de la pression. Cependant, si après la congélation la pression dépasse une certaine valeur, d'autres modifications de la glace se forment, plus denses que d'habitude, voire pour la plupart plus denses que l'eau liquide. Par conséquent, l'effet déchirant de l'eau dans les récipients en fer ou la formation de fissures dans les pierres lors de la congélation ne se produisent pas si l'eau est déjà sous une très haute pression avant de geler.  

En raison de la dilatation de l'eau lors de la congélation (selon le principe de Le Chatelier), le point de congélation diminue avec l'augmentation de la pression. Cependant, si après la congélation la pression dépasse une certaine valeur, d'autres modifications de la glace se forment, plus denses que d'habitude, voire pour la plupart plus denses que l'eau liquide. Par conséquent, l'effet de déchirure de l'eau dans les récipients en fer ou la formation de fissures dans les pierres lors de la congélation ne se produisent pas si l'eau est déjà sous une très haute pression avant de geler.  

Les caractéristiques de l'expansion de l'eau sont d'une importance capitale pour le climat de la Terre. La majeure partie (79 %) de la surface de la Terre est recouverte d'eau. Les rayons du soleil, tombant à la surface de l'eau, s'y réfléchissent partiellement, pénètrent partiellement dans l'eau et la réchauffent. Si la température de l'eau est basse, les couches chauffées (par exemple à 2 °C) sont plus denses que les couches froides (par exemple à 1 °C) et descendent donc. Leur place est prise par des couches froides, qui à leur tour se réchauffent. Ainsi, il y a un changement continu de couches d'eau, ce qui contribue à un chauffage uniforme de toute la colonne d'eau jusqu'à ce que la température correspondant à la densité maximale soit atteinte. Avec un chauffage supplémentaire, les couches supérieures deviennent de moins en moins denses et restent donc au sommet.  

Les caractéristiques de l'expansion de l'eau sont d'une importance capitale pour le climat de la Terre. La majeure partie (79 %) de la surface de la Terre est recouverte d'eau. Les rayons du soleil tombant à la surface de l'eau s'y réfléchissent partiellement, pénètrent partiellement dans l'eau et la réchauffent. Si la température de l'eau est basse, alors les couches chauffées (par exemple à 2°C) sont plus denses que les couches froides (par exemple à 1°C) et descendent donc. Leur place est prise par des couches froides, qui à leur tour se réchauffent. Ainsi, il y a un changement continu de couches d'eau, ce qui contribue à un chauffage uniforme de toute la colonne d'eau jusqu'à ce que la température correspondant à la densité maximale soit atteinte. Avec un chauffage supplémentaire, les couches supérieures deviennent de moins en moins denses, et restent donc au sommet.  

Est-ce en expansion ou en contraction ? La réponse est : avec l’arrivée de l’hiver, l’eau commence son processus d’expansion. Pourquoi cela se produit-il ? Cette propriété distingue l’eau de tous les autres liquides et gaz qui, au contraire, se compriment lorsqu’ils sont refroidis. Quelle est la raison de ce comportement de ce liquide inhabituel ?

Physique 3e année : l'eau se dilate-t-elle ou se contracte-t-elle lorsqu'elle gèle ?

La plupart des substances et matériaux augmentent de volume lorsqu’ils sont chauffés et diminuent de volume lorsqu’ils sont refroidis. Les gaz présentent cet effet de manière plus visible, mais divers liquides et métaux solides présentent les mêmes propriétés.

L’un des exemples les plus frappants de dilatation et de contraction d’un gaz est celui de l’air dans un ballon. Lorsque nous sortons un ballon à l’extérieur par temps glacial, la taille du ballon diminue immédiatement. Si on amène une balle dans une pièce chauffée, elle augmente immédiatement. Mais si nous amenons le ballon dans les bains publics, il éclatera.

Les molécules d'eau nécessitent plus d'espace

La raison pour laquelle ces processus d’expansion et de contraction de diverses substances se produisent sont les molécules. Celles qui reçoivent plus d’énergie (cela se produit dans une pièce chaude) se déplacent beaucoup plus rapidement que les molécules dans une pièce froide. Les particules qui ont plus d'énergie entrent en collision beaucoup plus activement et plus souvent ; elles ont besoin de plus d'espace pour se déplacer. Pour contenir la pression exercée par les molécules, le matériau commence à grossir. De plus, cela arrive assez rapidement. Alors, l’eau se dilate-t-elle ou se contracte-t-elle lorsqu’elle gèle ? Pourquoi cela se produit-il ?

L'eau n'obéit pas à ces règles. Si nous commençons à refroidir l’eau à quatre degrés Celsius, son volume diminue. Mais si la température continue de baisser, alors l’eau commence soudainement à se dilater ! Il existe une propriété telle qu'une anomalie dans la densité de l'eau. Cette propriété se produit à une température de quatre degrés Celsius.

Maintenant que nous avons établi si l’eau se dilate ou se contracte lorsqu’elle gèle, voyons en premier lieu comment cette anomalie se produit. La raison réside dans les particules qui le composent. La molécule d'eau est créée à partir de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène. Tout le monde connaît la formule de l'eau depuis l'école primaire. Les atomes de cette molécule attirent les électrons de différentes manières. L'hydrogène crée un centre de gravité positif, tandis que l'oxygène, au contraire, crée un centre de gravité négatif. Lorsque les molécules d’eau entrent en collision, les atomes d’hydrogène d’une molécule sont transférés vers l’atome d’oxygène d’une molécule complètement différente. Ce phénomène est appelé liaison hydrogène.

L'eau a besoin de plus d'espace lorsqu'elle refroidit

Au moment où commence le processus de formation des liaisons hydrogène, des endroits commencent à apparaître dans l'eau où les molécules sont dans le même ordre que dans un cristal de glace. Ces blancs sont appelés clusters. Ils ne sont pas durables, comme dans un cristal d’eau solide. À mesure que la température augmente, ils s’effondrent et changent d’emplacement.

Au cours du processus, le nombre d’amas dans le liquide commence à augmenter rapidement. Ils ont besoin de plus d'espace pour se propager, ce qui fait que l'eau augmente de taille après avoir atteint sa densité anormale.

Lorsque le thermomètre descend en dessous de zéro, les amas commencent à se transformer en minuscules cristaux de glace. Ils commencent à se soulever. Résultat : l’eau se transforme en glace. C'est une capacité très inhabituelle de l'eau. Ce phénomène est nécessaire à un très grand nombre de processus dans la nature. Nous le savons tous, et si nous ne le savons pas, rappelons-nous que la densité de la glace est légèrement inférieure à la densité de l’eau fraîche ou froide. Grâce à cela, la glace flotte à la surface de l’eau. Tous les plans d'eau commencent à geler de haut en bas, ce qui permet aux habitants aquatiques du fond d'exister sereinement et de ne pas geler. Nous savons désormais en détail si l’eau se dilate ou se contracte lorsqu’elle gèle.

L'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide. Si nous prenons deux verres identiques et versons de l’eau chaude dans l’un et la même quantité d’eau froide dans l’autre, nous remarquerons que l’eau chaude gèle plus rapidement que l’eau froide. Ce n’est pas logique, n’est-ce pas ? L’eau chaude doit refroidir avant de commencer à geler, mais ce n’est pas nécessaire pour l’eau froide. Comment expliquer ce fait ? À ce jour, les scientifiques ne peuvent pas expliquer ce mystère. Ce phénomène est appelé « effet Mpemba ». Il a été découvert en 1963 par un scientifique tanzanien dans des circonstances inhabituelles. Un étudiant a voulu se préparer une glace et a remarqué que l'eau chaude gelait plus rapidement. Il en a parlé à son professeur de physique, qui au début ne l'a pas cru.

Il semblerait que quoi de plus ordinaire que la glace ? En Eurasie centrale, où l'hiver dure plusieurs mois, au nord, où l'hiver dure la majeure partie de l'année, et même dans les régions montagneuses du sud, la neige et la glace sont des éléments courants du paysage.

Pendant ce temps, le processus de formation de la glace lui-même est inhabituel. Regardons, par exemple, comment le volume d'eau change lors du passage de l'état liquide à l'état solide, c'est-à-dire lorsqu'elle gèle. Ce changement se produit d’une manière complètement différente des autres substances que nous connaissons. Tous, à l'exception du bismuth et du gallium, se contractent et réduisent leur volume en refroidissant. Lors de la solidification, leur volume diminue considérablement par rapport à la même masse de matière fondue.

Lorsque l'eau gèle, c'est l'inverse qui se produit : la densité de la glace diminue et le volume augmente de 10 % par rapport au volume occupé par la même masse d'eau.

Les gens connaissent cette propriété de la glace depuis longtemps. Ne pouvant l’expliquer, ils l’ont néanmoins utilisé avec succès. De puissants bâtiments du nord de l'Europe ont été érigés à partir de monolithes de pierre pesant des centaines de kilogrammes. Pour fabriquer de tels blocs, des rainures relativement peu profondes ont été creusées dans les roches ou des fissures appropriées ont été sélectionnées. Avant l’arrivée du froid hivernal, ils étaient remplis d’eau et la glace qui en résultait agissait comme un explosif. Alors patiemment, année après année, les hommes broyaient les roches les plus résistantes et obtenaient des matériaux de construction grâce à la dilatation de l'eau lorsqu'elle gelait. La science peut désormais expliquer la raison de ce phénomène. Comme on peut le voir sur la Fig. 1.8, le changement de volume avec la diminution de la température se produit d'une manière particulière. Au début, l’eau se comporte comme beaucoup d’autres liquides : en se densifiant progressivement, elle réduit son volume. Ceci s’observe jusqu’à 4°C (plus précisément jusqu’à 3,98°C). A cette température, c’est comme si une crise approchait. Un refroidissement supplémentaire ne réduit plus, mais augmente progressivement le volume. La douceur s'interrompt brusquement à 0°C, la courbe se transforme en une ligne droite raide et le volume augmente brusquement de près de 10 %. L'eau se transforme en glace.

Évidemment, à 3,98°, l'interférence thermique dans la formation des associés commence à s'affaiblir à tel point que la possibilité d'un certain réarrangement structurel de l'eau en cadres semblables à de la glace apparaît. Les molécules sont ordonnées entre elles et se forment à certains endroits une structure hexagonale caractéristique de la glace1.

Ces processus dans l'eau liquide préparent pour ainsi dire une restructuration structurelle complète, et à 0°C cela se produit : l'eau qui coule devient de la glace - un solide cristallin. Chaque molécule a la possibilité de se connecter via des liaisons hydrogène avec quatre

Je suis voisins. Par conséquent, dans la phase glace, l’eau forme une structure ajourée avec des « canaux » entre des groupes fixes de molécules d’eau.

Probablement, une autre propriété particulière de l'eau est associée à la restructuration structurelle : une forte augmentation de la capacité thermique pendant la transition de phase « eau-glace ». L'eau à 0°C a une capacité thermique spécifique de 1,009. La capacité thermique spécifique de l’eau transformée en glace à la même température est deux fois moins élevée.

En raison de la particularité de la transition structurelle «eau - glace», dans la plage de 3,98...0°C, les réservoirs naturels d'une profondeur suffisante ne gèlent généralement pas jusqu'au fond. Avec l’arrivée du froid hivernal, les couches supérieures d’eau, refroidies à environ +4°C et atteignant leur densité maximale, coulent au fond du réservoir. Ces couches transportent l’oxygène dans les profondeurs et contribuent à répartir uniformément les nutriments. À leur place, des masses d’eau plus chaudes remontent à la surface, deviennent plus denses, se refroidissent au contact de l’air de surface et, après s’être refroidies à +4 °C, s’enfoncent à leur tour plus profondément. L'agitation se poursuit jusqu'à ce que la circulation soit épuisée et que le réservoir soit recouvert d'une couche flottante de glace. La glace protège de manière fiable les profondeurs du gel complet - après tout, sa conductivité thermique est bien inférieure à celle de l'eau.

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