De l’eau à des pressions négatives de -1000 fois la pression atmosphérique

5 décembre 2012

LPMCN - UMR 5586 , transition de phase , eau , pression , vapeur , thermodynamique

En analysant la formation des bulles de vapeur dans de l’eau sous très forte tension, des physiciens ont conforté une explication jusqu’à présent mise en doute : il s’agirait bien de « nucléation homogène ». Dans ce mécanisme, l’apparition des bulles s’effectue au sein du liquide par sa désintégration à l’échelle d’une centaine de molécules d’eau et non à cause de l’effet des parois ou de la présence d’impuretés. Ce travail a fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Physics.


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La grande cohésion de l’eau permet de mettre ce liquide sous tension importante sans qu’il ne se vaporise. Lorsque la tension augmente encore, la cohésion se rompt et le liquide se transforme en gaz : on dit qu’il cavite. Pour étudier expérimentalement ce phénomène, une collaboration de physiciens du Laboratoire de Physique de la Matière Condensée et Nanostructures - LPMCN (CNRS - Univ. Claude Bernard Lyon 1), de l’Institut des Sciences de la Terre d’Orléans - ISTO (CNRS - Univ. Orléans - BRGM) et du Groupe de Recherche Eau-Sol-Environnement - GRESE, a utilisé une méthode très performante mise au point par le chimiste Austen Angell à l’Université d’Arizona en 1991. Procédant comme une sorte de cocote minute à l’envers, cette méthode consiste à refroidir à volume constant des inclusions d’eau liquide contenues dans un cristal de quartz. L’eau, adhérant aux parois de quartz, ne peut se contracter lors du refroidissement, elle est alors mise sous tension. Jusqu’à présent, les expériences effectuées sur ces systèmes consistaient à mesurer le seuil d’apparition des bulles de vapeur sur de nombreuses inclusions, produisant des résultats très dispersés. Pour obtenir des mesures très précises, les physiciens ont mesuré le seuil d’apparition des bulles de nombreuses fois sur une seule inclusion bien choisie. Ils ont ainsi mesuré un taux d’apparition de bulles en accord avec le mécanisme de « nucléation homogène » et en désaccord avec les autres mécanismes. En outre, ces expériences ont permis de localiser la température du maximum de densité de l’eau à pression négative : 27°C pour une densité de 922.8 kg/m³. Cette découverte constitue une avancée sur le diagramme de phase de l’eau, encore très débattu.

: Inclusion d’eau dans un cristal de Quartz. Des bulles peuvent être observées au sein du liquide.

En savoir plus

A coherent picture for water at extreme negative pressure, M. El Mekki Azouzi¹, C. Ramboz², J.-F. Lenain³ et F. Caupin¹, Nature Physics, 18 novembre 2012.