5ème : je n'arrive pas à refroidir l'eau !

[Vincent-Lyon]

Bonjour WilliamT,

Quelques questions pour mieux saisir ton problème avant de répondre avec du quantitatif :
- C'est de l'eau qu'il y a dans tes tubes à essais ?
- Qu'est-ce que tu voudrais montrer ?
- Est-ce que tu as déjà vu cette expérience réussir ?

Si tu veux congeler de l'eau, ça me paraît impossible en raison des ordres de grandeur des énergies à échanger.

Le liquide de refroidissement ne "stocke" probablement pas assez de "froid" pour refroidir ton système.
Certes, le propylène glycol permet que le liquide de refroidissement reste liquide à températures négatives (et ne bouille pas à 100°C), mais a une capacité thermique plus de 2 fois plus faible que celle de l'eau !

A+
Vincent
LGT La Martinière M.
Lyon

[Aranel53]

Si tu veux congeler de l'eau, ça me paraît impossible en raison des ordres de grandeur des énergies à échanger.

Euh... congeler de l'eau c'est tout à fait possible de cette manière... et les ordres de grandeur en question dépendent violemment des quantités en jeu, hein.

Pour cette expérience — qui réussit très bien et dont le but est de faire tracer aux élèves de 5e le palier de changement d'état à 0°C pour l'eau ainsi que la descente en température ensuite — il faut faire attention à avoir suffisamment de liquide de refroidissement dans les béchers ou les pots de yaourt. Que fais-tu avec des verres à pied ? Tu n'as que ça ? Il vaut mieux que les récipients soient déjà plein de liquide quand tu les sors, je comprends pas bien le "je les noie..." ça rajoute une étape pour rien.

Ensuite, il faut jouer avec la quantité d'eau dans le tube à essai pour que le tout prenne environ 3~4 minutes, et enfin voir avec des mini-tubes à essais si ça marche toujours pas. Mais j'avais laissé tomber les mini-tubes car ça congelait trop vite.

D'après ce que tu décris, je mettrais plus volontiers en cause le congélateur lui même... ton liquide est-il bien à -18 au début ? Le freezer à -6 ne suffit pas d'après mes souvenirs.

Prendre des pots de bébé et les isoler aussi pour éviter les pertes peut aider voir ici : Solidification de l'eau - à la place du mélange sel+glace

Sinon, je crois qu'une collègue a parlé récemment de saumure saturée comme liquide de refroidissement.

[geodan]

Je l'ai fait cette année et c'était un peu juste, pour certains groupes la température n'est jamais descendue en dessous du palier (enfin on a arrêté au bout de 15 min..), pour quelques uns si.
J'ai utilisé du liquide de refroidissement (-18°C au départ), que j'ai sorti au dernier moment. J'avais au préalable préparé les tubes à essais (je ne connais pas trop les tailles mais j'ai pris les plus étroits que nous avons au labo) en les remplissant à environ 1/4 (juste ce qu'il faut en fait pour que le thermomètre trempe, peut-être as-tu mis trop d'eau ?). Les élèves mettent les thermomètres dans leur tube et le tout dans un bécher (200-250 mL par là). Je vais chercher le liquide de refroidissement au congel et je remplis le bécher pour chaque groupe.
Effectivement pour certains groupes où le palier s'éternisait j'ai mesuré la température du liquide de refroidissement et c'est vrai que ça monte assez vite.

Je n'ai pas eu le temps de faire des tests mais je pense qu'il serait intéressant d'en faire pour ajuster différents paramètres qui jouent sur la rapidité de la solidification : volume d'eau et volume de liquide réfrigérant.
J'avais quand même testé au préalable et ça avait mieux fonctionné que pour les élèves en moyenne. Une des différences était que j'avais testé sur une table en bois, et non sur une paillasse. Or la conductivité thermique du matériau des paillasses est plus grande que celle du bois (on s'en rend bien compte car c'est plus "froid"...). Du coup il faudrait peut-être tester en mettant un chiffon un peu plus isolant en dessous du bécher pour éviter un réchauffement trop rapide. C'est un paramètre possible, je ne sais pas comme ça s'il est important ou négligeable.

Mais je pense surtout que c'est une question de volume. Car il faut bien voir qu'on part en gros de -18°C d'un côté et +18°C de l'autre, que la capacité thermique de l'éthylène glycol est environ 2 fois plus faible que celle de l'eau, sans parler de l'énergie nécessaire au changement d'état. D'ailleurs je n'ai pas trop compris pourquoi tu utilisais 2 tubes (un bouché, l'autre pas avec le thermomètre).
Une solution si tu as des contraintes matérielles (pas de tubes assez petits ou béchers assez grands) serait peut-être de partir avec de l'eau plus fraîche (mise au frigo préalablement...).

[fraffin]

Bonjour WilliamT,
Après de très nombreux essais comme toi pour avoir le palier de la solidification de l'eau (changements d'états en 1S), voici ma solution :
Diluer par 2 le liquide lave glace : avantage tu as une espèce de mélange solide-liquide qui se réchauffe moins vite,
Mettre dans des béchers dans le freezer,
Mettre juste le minium d'eau pour le thermomètre.
Sortir les béchers au dernier moment.

RQ : je suis descendu jusqu'à -6 °C

[geodan]

Salut !

En fait j'ai 2 tubes à essai parce que je fais 2 tests différents.

Dans ce cas tu peux peut-être les mettre chacun dans un bécher si tu n'arrives toujours pas à la solidification complète.

Effectivement, le réchauffement est très rapide, et je pense que je vais directement mettre un bécher avec le liquide de refroidissement au congel.

Un par groupe ? Tu as suffisamment de place dans ton congel ? Si tu enchaînes plusieurs classes de suite ça prend pas mal de place de préparer chaque bécher...

C'est important l'eau distillée ou l'eau du robinet ?

Je ne crois pas, j'avais testé avec les deux, pas beaucoup de différence il me semble, du coup j'étais resté sur l'eau du robinet.
Par contre je n'ai pas pu insister sur le caractère pur de l'eau, en fait surtout parce que j'ai fait ça avant les mélanges/corps purs. C'est grave ?

[geodan]

Ah ouais c'est le trajet jusqu'à la cantine avec le liquide dans les mains des élèves qui peut faire aussi que tu ne démarres pas à -18°C !
Moi j'ai carrément mis tout le bidon (5L) au congel, donc je le sors et il y en a pour tout le monde... s'ils ont la place et la gentillesse de te garder ça à la cantine c'est bien parce que du coup t'as un grand volume, ce qui te permettra de démarrer à une température bien basse.

Je pensais justement que le liquide de refroidissement permettait de moins se prendre la tête car plus pratique, pas de glace à piler, pas de sel à ajouter. Mais c'est potentiellement mieux au niveau des capacités thermiques donc pourquoi pas. Dans ce cas au lieu de s'embêter à piler la glace, il vaudrait mieux préparer l'eau salée puis la mettre au congel, non ? Il semblerait que pour 23% en masse de NaCl on tombe sur un eutectique avec solidification à -21°C.

[Gwendal]

Je viens de tester il y a peu la manip avec une eau saturée en sel et placée au congélateur ensuite. Cela marche très bien.
La solution est ensuite récupérée et réutilisée.

[snoopss]

Je ne comprends pas bien pourquoi tu t'embêtes. Je fais ça avec de la glace pilée ( 2 élèves vont dans le couloir pour piler la glace, c'est bruyant ) et pendant ce temps on prépare le matériel avec les autres. Ensuite on rajoute du sel comme le dit Gwendal (je fais ça la louche), ça permet d'ailleurs de montrer aux élèves que l'ajout du sel va refroidir fortement la glace. Une fois la glace pilée, au niveau température on est juste en dessous de 0°C (la glace vient d'un friseur, pas d'un congélateur). Quand on ajoute le sel, on arrive rapidement à -17/-18°C.
Je trouve que pour cette manip, la difficulté est que le changement d'état de l'eau ne doit pas se faire trop rapidement pour que le palier soit visible. Pour bien il faut adapter un peu la quantité de sel que l'on met aux conditions dans la classe (température, soleil).

[Aranel53]

Bein non quand même, sur une manipulation comme ça faut faire manipuler tout le monde...!

Si on a le matériel bien sûr.

[dellmat]

Bein non quand même, sur une manipulation comme ça faut faire manipuler tout le monde...!

Oh oui, je m'aperçoit en 1ère S que peu d'élèves ont vu un palier de température...
Le problème est effectivement que la solidification ne se fasse pas trop vite afin qu'ils voient le palier, il me semble qu'il est plus facile à observer pour l'ébullition mais j'imagine que c'est compliqué de faire ce genre de manip avec des collégiens?

Je confirme que la glace pilée salée est un bon réfrigérant, en seconde la première activité de l'année (pour rappeler les caractéristiques physiques des espèces chimiques) je leur demande d'identifier trois liquides inconnus, au bureau je dispose un gros cristallisoir (non isolé thermiquement) avec de la glace (sortant du freezer qui est à -10 °C) concassée plus que pilée, saturée en sel, et le mélange reste sans problèmes durant 1 bonne heure entre -8°C et -5°C.

Sinon, eau distillée ou pas? Moi je dirais eau du robinet on peut être confronté au problème de surfusion... (en fait c'est plus une question qu'une affirmation, si quelqu'un peut confirmer )