 surfusion |
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Lorsqu'une particule liquide (P) d'un corps pur présente une interface (S) avec le vide ou avec un gaz, les molécules composant cette interface n'ont pas le même comportement que celles qui se trouvent au sein de cette particule : ces dernières sont soumises chacune à des
forces d'interaction
exercées sur elles par les molécules voisines, mais ces forces, également réparties dans l'espace, se compensent de façon que leur
résultante
s'annule en chaque molécule ; sur (S), par contre, chacune des molécules est entourée par un nombre moindre d'autres molécules réparties seulement autour et en deçà d'elle, de sorte que la résultante des forces d'interaction y est non nulle, perpendiculaire à (S) et dirigée vers l'intérieur de (P). Ainsi, la frontière de (P) est analogue à une pellicule sur laquelle s'exercerait en chaque point une
pression
due à cette limitation spatiale du liquide ; pareille pression tend à réduire l'interface qui correspond à une masse donnée du corps pur : par exemple, les particules d'eau liquide se condensent dans l'
atmosphère
sous forme de gouttes ou gouttelettes sphériques, la surface de la sphère étant la plus petite surface possible d'un volume dont la valeur est fixée. |
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Examinons alors comment l'interface de (P) peut être accrue d'une surface élémentaire (δS), assimilable à un rectangle ABCD dont les côtés AD et AB ont respectivement les longueurs très petites
δx
et
δy
: cet accroissement s'obtient par exemple en ajoutant l'aire élémentaire
δS
=
δx δy
par
translation
de AB à DC du segment de droite EF ayant pour milieu M. D'après ce que nous venons de dire, l'action exercée par la "pression superficielle" sur la pellicule tendrait à ramener EF à sa position initiale AB ; pour assurer l'extension de l'interface sur l'aire
δS
, il faut donc appliquer en M une force compensatrice
F
(M) tangente à l'interface, perpendiculaire à EF et dirigée de AB vers DC : l'intensité
F
(M) de cette force s'écrit sous la forme
F
(M) =
a δx
, où le coefficient
a
, mesurable en N.m
- 1
, est appelé la
tension superficielle
. Ce coefficient dépend du corps pur liquide et, éventuellement, du gaz qui lui fait face ; en outre, il décroît rapidement quand la
température
s'élève, cette élévation augmentant l'agitation des molécules superficielles. Le
travail
élémentaire δW(M) alors effectué par la force
F
(M) lors du déplacement de EF est égal à (
a δx
)
δy
, soit δW(M) =
a δS
: la tension superficielle est donc mesurable aussi bien en J.m
- 2
et peut être considérée comme l'énergie que doit recevoir le corps pur liquide pour augmenter son interface d'une unité d'aire ; en particulier, pour que la particule (P) puisse se maintenir dans le volume qu'elle occupe, il lui faut emprunter à son environnement une quantité
E
s
d'énergie (chimique) égale à
a S
. |
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Supposons que cette particule soit une goutte ou une gouttelette d'eau en suspension dans l'
air
et observons le cas où elle subit une
congélation
en un germe sphérique de
glace
, de
masse volumique
ρ
et de rayon
r
: la transformation de (P) suppose de la part de ce germe une
absorption
—
positive
—
d'énergie
E
s
, mais aussi une
émission
—
négative
—
d'énergie
E
LS
due à la
transition de phase
liquide-solide ; on a
E
LS
= -
ρ V L
SL
, où
L
SL
est la
chaleur latente de fusion
de l'eau (positive) et
V
, le volume du germe, pratiquement égal à (1/3)
S r
. Pour que (P) se transforme, il est alors nécessaire qu'elle soit plus stable en
phase
solide qu'en phase liquide, ce qui exige l'inégalité
E
s
+
E
LS
< 0 ou encore (1/3)
S r ρ L
SL
>
a S
, soit finalement : |
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Dans l'atmosphère, cette condition n'est généralement pas satisfaite à 0
°C
, et la surfusion des particules liquides subsiste tant qu'elles ne pourraient engendrer que des germes solides de rayon
r
trop faible : pour que la transition ait lieu, il faut soit que se produise une secousse, soit que
r
caractérise en fait une surface solide rugueuse ou un noyau de congélation. |
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