L'eau à 100°C gèle plus vite que l'eau tiède. Tous à vos congélateurs !

L'eau chaude bout-elle plus vite que l'eau froide ?

La réponse est oui. En fait, la vitesse avec laquelle se réchauffe un liquide dépend de l'écart de température entre le liquide et son environnement. Ainsi, l'eau froide absorbe la chaleur plus rapidement lorsqu'elle est froide que lorsqu'elle est tiède. Elle met donc plus de temps que l'eau chaude pour bouillir (mais moins que ce à quoi l'on peut s'attendre).

Tout cela reste très intuitif et vous commencez peut-être à trouver cela inintéressant. Il est donc temps de passer à la question suivante:

L'eau froide gèle t'elle plus vite que l'eau chaude ?

Cette fois, la réponse est plus nuancée et clairement contre-intuitive: ça dépend. C'est ce qu'a découvert le Tanzanien Mpemba en 1963 (sérendipité, une fois de plus): en mettant au congélateur deux verres identiques contenant le même volume d'eau, l'un à 35°C, l'autre à 100°C, il constata que le second gelait avant le premier !!!

Plus généralement, on observe sous certaines conditions que l'eau chaude gèle avant l'eau tiède (mais... l'eau chaude ne gèle pas avant l'eau froide).

Ce phénomène porte le nom de son découvreur et reste en parti  inexpliqué à ce jour.

Hypothèses:

Voyons tout de même quelques hypothèses formulées par les scientifiques pour tenter d'eclaircir le mystère:

• L'évaporation de l'eau chaude entraîne une perte de volume. Il y a donc moins d'eau chaude que d'eau froide à congeler. Mais cette hypothèse est peu probable car la perte de volume est très faible. De plus, des expériences en milieu clos viennent l'invalider puisque l'effet Mpemba y est toujours constaté !
  
• La surfusion: c'est un état particulier de l'eau. Sous forme métastable (entre liquide et solide), elle peut ainsi rester liquide jusqu'à des températures très basses (-40°C dans l'atmosphère ; -5°C dans le congélateur). Mais la surfusion n'est possible que si l'eau est peu agitée (i.e. froide, puisque la chaleur est justement due à l'agitation des molécules). C'est pourquoi l'eau chaude va geler plus facilement à 0°C que l'eau froide qui pourra lui "préférer" un état de surfusion.
• Les gaz  O2 et CO2 présents dans l'eau abaissent le point de congélation de l'eau froide. Dans l'eau chaude, ces gaz sont insolubles.
• 540 calories sont nécessaires pour vaporiser un gramme d'eau. Il en faut 100 pour amener un gramme d'eau liquide de 0 à 100 degrés Celsius. Quand l'eau est à plus de 80°C, le taux de refroidissement par évaporation rapide est très élevé (car chaque gramme qui s'évapore enlève au moins 540 cal à l'eau qui reste, ce qui représente une grande quantité de chaleur comparée à la calorie par °C nécessaire pour qu'un gramme d'eau se refroidisse par conduction thermique classique).
  

Expériences

Voici quelques expériences amusantes à réaliser. Mpemba avait initialement constaté le phénomène avec du lait, il se peut que donc que ça marche avec d'autres liquides que l'eau. Que votre congélateur me pardonne et apaise votre incrédulité justifiée.

• Par exemple, l'eau 100 °C gelera avant l'eau entre 60 et 100°C mais après l'eau à moins de 60°C.
• Si vous lavez votre voiture à l'eau très chaude lorsqu'il fait très froid dehors, la surface qui se refroidit par évaporation rapide étant grande comparée à la quantité d'eau en jeu, vous avez des chances d'observer le phénomène.
  

Conclusions:

L'effet Mpemba est réel et constaté. Mais pour mieux le comprendre et le reproduire, il faut maîtriser de nombreux paramètres et conditions initiales: qualité de l'eau, température, forme, taille et matériau du contenant, température du congélateur,...

Ceci explique sans doute le mystère toujours actuel lié au phénomène.

Quoi qu'il en soit, nous voyons une fois de plus que notre intuition est trompeuse.

sources: this article(en anglais), Scientific American