La physique de la raison pour laquelle l’eau chaude gèle parfois plus vite que l’eau froide

L’histoire raconte qu’en 1963, Erasto Mpemba, un lycéen tanzanien, préparait de la crème glacée avec sa classe lorsqu’il mit impatiemment sa concoction de sucre et de lait dans la baratte à crème glacée alors qu’elle était encore chaude, au lieu de la laisser refroidir d’abord. A sa grande surprise, la confiserie a refroidi plus vite que celle de ses camarades.

Avec l’aide d’un professeur de physique, Mpemba a réalisé d’autres expériences en mettant deux verres d’eau, l’un tout juste bouilli et l’autre chaud, dans un congélateur, et en voyant lequel atteignait la ligne d’arrivée de la congélation en premier. Souvent, l’eau dont la température de départ était plus élevée était la première à geler. Leurs observations ont déclenché une discussion qui a duré des décennies sur l’existence et les détails du phénomène contre-intuitif, maintenant appelé l’effet Mpemba.

Maintenant, une nouvelle recherche publiée le 5 août dans la revue Nature montre non seulement que l’effet Mpemba existe, mais fait également la lumière sur la façon dont il se produit, rapporte Emily Conover pour Science News.

Plutôt que d’expérimenter sur l’eau glacée, qui est étonnamment compliquée à étudier, les physiciens Avinash Kumar et John Bechhofer de l’Université Simon Fraser ont concentré leurs regards – et leurs lasers – sur des billes de verre microscopiques. Ils ont mesuré comment les billes de verre se déplaçaient dans des conditions très spécifiques dans l’eau et ont vu que dans certaines circonstances, les billes qui commençaient très chaudes se refroidissaient plus vite que celles qui ne le faisaient pas.

« C’est l’un de ces montages très simples, et il est déjà assez riche pour montrer cet effet. » déclare Marija Vucelja, physicienne théorique de l’Université de Virginie, à Science News. L’expérience suggère également que l’effet pourrait se manifester dans des matériaux autres que l’eau et les billes de verre. Vucelja déclare : « J’imagine que cet effet apparaît assez génériquement dans la nature ailleurs, simplement nous n’y avons pas prêté attention. »

Si le point de congélation est la ligne d’arrivée, alors la température initiale est comme le point de départ. Il serait donc logique qu’une température initiale plus basse, avec une distance moindre à la ligne d’arrivée, soit toujours la première à l’atteindre. Avec l’effet Mpemba, parfois l’eau la plus chaude atteint la ligne d’arrivée en premier.

Mais cela devient plus compliqué. D’une part, l’eau contient généralement d’autres éléments, comme des minéraux, qui y sont mélangés. Et les physiciens ne sont pas d’accord sur la définition exacte de la ligne d’arrivée : est-ce lorsque l’eau dans un récipient atteint la température de congélation, commence à se solidifier ou se solidifie complètement ? Ces détails rendent le phénomène difficile à étudier directement, écrit Anna Demming pour Physics World.

La nouvelle expérience fait disparaître les détails qui rendent l’effet Mpemba si obscur. Dans chaque test, ils ont laissé tomber une perle de verre microscopique dans un petit puits d’eau. Là, ils ont utilisé un laser pour exercer des forces contrôlées sur la bille, et ils ont mesuré la température de la bille, selon Science News. Ils ont répété le test plus de 1 000 fois, en laissant tomber les billes dans différents puits et en commençant à différentes températures.

Sous certaines forces exercées par le laser, les billes les plus chaudes se refroidissaient plus rapidement que les billes à plus basse température. La recherche suggère que le chemin plus long entre une température plus élevée et le point de congélation pourrait créer des raccourcis pour que la température de la perle chaude puisse atteindre la ligne d’arrivée avant la perle plus froide.

Bechhoefer décrit le système expérimental comme une façon « abstraite » et « presque géométrique » de se représenter l’effet Mpemba à Physics World. Mais en utilisant le système, lui et Kumar ont identifié les « températures initiales » optimales pour un effet de refroidissement de Mpemba.

« Cela a en quelque sorte suggéré que toutes les particularités de l’eau et de la glace – toutes les choses qui ont rendu l’effet original si difficile à étudier – pourraient être en quelque sorte périphériques », dit Bechhoefer à Physics World.