Anomalie dilatométrique

L’anomalie dilatométrique est une propriété singulière du comportement de certains corps dont la densité, au lieu d'augmenter continuellement (notamment au cours des changements d'états) pendant leur refroidissement, diminue au contraire à partir d'une température précise, parfois seulement sur certains intervalles de température : autrement dit, dans ces intervalles, le corps se dilate lorsque sa température diminue. L’eau présente une anomalie dilatométrique.

Exemples

Plusieurs éléments chimiques présentent une anomalie de densité : l'antimoine, le bismuth, le gallium, le germanium, le plutonium et le silicium ainsi que certains alliages comme le tungstate de zirconium α-Modèle:Chem et le cyanure de zinc. Claude Pouillet observait déjà en 1836 que Modèle:Citation Mais le corps chimique le plus important présentant cette anomalie est encore l'eau.

Cas de l'eau

Données empiriques

Masse volumique de l'eau en fonction de la température. Le graphe inférieur donne la masse volumique de la glace jusqu'à Modèle:Unité puis celle de l'eau liquide. Le graphe supérieur donne le détail du graphe inférieur pour les masses volumiques de l'eau liquide entre Modèle:Unité et Modèle:Unité. Ce graphe montre le maximum de masse volumique de l'eau liquide autour de Modèle:Unité.

Dans les conditions normales de pression, l'eau atteint sa masse volumique maximale d'environ Modèle:Unité/2 à Modèle:Tmp. En-dessous de Modèle:Tmp, l'eau commence à se dilater lorsque la température s'abaisse (y compris au cours du gel). Selon Modèle:Vague, le maximum de masse volumique de l'eau serait de (Modèle:Unité/2) à une température de Modèle:Unité/2 : cet intervalle résulte de la moyenne des résultats obtenus en 2005 par Modèle:Lesquels.

On peut exprimer la loi de variation de la masse volumique ρModèle:Ind de l’eau exempte d’oxygène dissous en fonction de la température T (exprimée ici en °C) grâce à l'équation du viriel :

${\rho }_{\mathrm{L}\mathrm{F}}=\frac{a_0+a_{1}T+a_2{T}^2+a_3{T}^3+a_4{T}^4+a_5{T}^5}{1+bT}$

où les coefficients ont pour valeur :

aModèle:Ind = Modèle:Unité/2 ;

aModèle:Ind = Modèle:Unité/2 ;

aModèle:Ind = Modèle:Unité/2 ;

aModèle:Ind = Modèle:Unité/2 ;

aModèle:Ind = Modèle:Unité/2 ;

aModèle:Ind = Modèle:Unité/2 ;

et b = Modèle:Unité/2.

Quant à la masse volumique de l'eau saturée en air dissous, on peut corriger l'équation précédente de la façon suivante :

${\rho }_{\text{LG}}={\rho }_{\text{LF}}-0,004612+0,000106\cdot T$.

Mécanisme

Arrangements moléculaires de la glace (à gauche) et de l'eau (à droite).

À l’état solide (dans le cas de l'eau on parle alors évidemment de « glace »), la cristallisation aboutit à un empilement ordonné de molécules formant un véritable réseau cristallin. À l’état liquide, la même quantité de molécules occupe en principe un volume plus grand du fait des vitesses élevées des molécules et de l’existence d’un libre parcours moyen. Et puisque le volume augmente, la densité doit diminuer (la masse étant constante). Le chaos devient extrême à l’état gazeux : les molécules s’éloignent en moyenne au maximum de manière à remplir le plus uniformément possible le volume disponible. Modèle:Article détaillé

L’explication de l’anomalie dilatométrique de l’eau réside dans la formation de chaînes moléculaires par liaison par pont hydrogène. Du fait de la formation spécifique de ces chaînes, l’édifice cristallin solide prend plus de place que les molécules disjointes et mobiles de l’état liquide. La solidification est un processus graduel, ce qui veut dire qu’à l’état liquide il existe déjà des agrégats de molécules d'eau liées. À Modèle:Tmp l’eau se trouve dans un état où ces agrégats occupent un volume minimum : sa masse volumique est alors maximale. Lorsque l’on continue d’abaisser la température, l’évolution continue de la structure cristalline exige de plus en plus de place ; lorsqu’au contraire on élève la température, l’agitation moléculaire donne naissance à un libre parcours moyen non nul, qui se traduit par une apparente dilatation.

Conséquence pour la limnologie

Stratification thermique entre l'été et l'hiver dans un lac.

L'anomalie dilatométrique de l'eau joue un rôle considérable pour la survie des espèces lacustres des zones glaciales. Ainsi en raison de cette anomalie dilatométrique, en-dessous d'une température de Modèle:Tmp les eaux froides de surface ne convectent plus vers le bas, ce qui empêche le refroidissement des eaux plus profondes. Il y a inversion de la stratification thermique entre l'été et l'hiver (voir illustration ci-contre), donnant, l'hiver, naissance à une couche d'inversion : les eaux profondes restent relativement isothermes, et animaux et plantes peuvent, jusqu'à un certain point, survivre sous la glace.

Voir aussi

Bibliographie

• Modèle:Article.
• Modèle:Ouvrage
• Modèle:Ouvrage

Articles connexes

• Maximum de densité de l'eau