Pourquoi la glace du congélateur craque-t-elle dans une boisson ?
― Un écart de quelques degrés suffit à la déchirer
Quand on laisse tomber un glaçon tout juste sorti du congélateur dans du thé glacé, on entend un petit craquement, et des fissures blanches apparaissent à l'intérieur. Personne n'a frappé le glaçon : alors pourquoi se brise-t-il ? La réponse tient en deux points : « seule la surface se réchauffe brusquement et gonfle », et « la glace supporte très mal d'être étirée ». Le calcul montre qu'un simple écart de 2 °C peut suffire à la briser : c'est un matériau étonnamment fragile.
Un après-midi d'été, vous mettez des glaçons dans un verre et vous versez du thé glacé bien froid. À cet instant, de petits craquements se font entendre dans le verre.
En regardant de plus près, vous voyez que l'intérieur du glaçon, auparavant transparent, est traversé de plaques blanches comme des fissures. Certains glaçons se brisent même net en deux.
Pourtant, si vous utilisez un glaçon laissé un moment dans l'évier, presque aucun bruit ne se produit. C'est pourtant le même glaçon : qu'est-ce qui change ?
La glace se brise pour deux raisons seulement
L'eau transmet la chaleur très vite. Dès qu'on plonge le glaçon dans la boisson, seule sa surface atteint rapidement 0 °C et tente de se dilater. Mais le cœur, encore froid, reste contracté.
La surface qui gonfle tire le cœur dans toutes les directions. La glace résiste bien à la compression, mais très mal à l'étirement. Le cœur, incapable de résister, se déchire de l'intérieur.
En somme, la glace n'est pas brisée depuis l'extérieur. C'est son propre extérieur et son propre intérieur, à des températures différentes, qui se tirent l'un l'autre jusqu'à la rupture. Voyons cela dans l'ordre.
Raison 1 : seule la surface gonfle, le cœur reste contracté
Un congélateur domestique est en général maintenu à environ -18 °C. Un glaçon qui en sort est refroidi uniformément jusqu'au cœur, à peu près à cette température.
Quand on plonge ce glaçon dans une boisson, la chaleur du liquide environnant afflue d'un coup. L'eau transmet la chaleur bien mieux que l'air. La surface du glaçon atteint donc rapidement près de 0 °C. En revanche, la chaleur met du temps à se propager à l'intérieur de la glace, et le cœur reste à -18 °C pendant un moment.
La plupart des matériaux se dilatent légèrement en se réchauffant. La glace ne fait pas exception. La couche de surface « voudrait » devenir un peu plus grande, tandis que le cœur froid reste petit. Comme l'extérieur et l'intérieur forment un seul bloc, il n'y a nulle part où absorber cet écart. La figure 1 montre que l'extérieur tire ainsi le cœur vers le dehors.
Un glaçon posé à l'air libre se brise moins facilement, car l'air ne transmet la chaleur que lentement. Pendant que la surface se réchauffe peu à peu, la chaleur atteint aussi le cœur, et l'écart de température entre l'extérieur et l'intérieur ne s'ouvre pas autant.
Raison 2 : la glace résiste très mal à l'étirement
La glace est un matériau dur. Même avec la lame d'une machine à glace pilée, elle ne s'effondre pas tout de suite. Elle a une certaine résistance à la compression.
Mais elle résiste très mal à l'étirement. On estime que la résistance de la glace à l'étirement ne représente qu'une fraction — d'un quart à un dixième environ — de sa résistance à la compression. De plus, la glace ne peut pas s'allonger comme du caoutchouc pour absorber la tension. Au moindre dépassement de sa limite, une fissure se propage d'un coup.
La couche externe gonflée, évoquée dans la raison 1, tire le cœur dans toutes les directions. Le cœur subit donc précisément ce que la glace supporte le plus mal : l'étirement. C'est pourquoi les fissures apparaissent à l'intérieur plutôt qu'en surface. Le craquement entendu est le son produit par la vibration de la glace au moment où la fissure se propage instantanément.
Alors, à partir de quel écart de température la glace se brise-t-elle ? La figure 2 permet de le vérifier en faisant varier la température du congélateur.
La barre de la figure 2 est une estimation maximale, supposant que l'extérieur atteint entièrement 0 °C tandis que le cœur reste à la température du congélateur. En réalité, la température varie progressivement, donc la force réelle est plus faible. Elle reste pourtant, pour un glaçon à -18 °C, plusieurs fois supérieure à la résistance à la rupture. On comprend ainsi que la glace est un matériau qui « se brise normalement ».
De minuscules poches d'air se forment à l'intérieur des fissures. La lumière se réfléchit à la frontière entre la glace et l'air, ce qui fait apparaître des plaques blanches brillantes dans une glace auparavant transparente. C'est le même principe qui fait apparaître la neige blanche.
Laisser reposer le glaçon sorti du congélateur pendant une à deux minutes avant de l'utiliser réduit les risques de casse. Le temps d'attendre que la surface devienne légèrement humide suffit à réduire l'écart de température avec le cœur. Dans le monde des cocktails, on appelle parfois cette étape « acclimater la glace ». Cela aide aussi à préserver un glaçon transparent sans le briser.
En résumé
Un glaçon plongé dans une boisson voit sa seule surface se réchauffer brusquement jusqu'à 0 °C et gonfler. Le cœur, encore froid, reste contracté et se trouve tiré de toutes parts par l'extérieur. La glace résiste très mal à l'étirement : selon le calcul, un écart d'environ 2 °C seulement peut suffire à la briser. C'est pourquoi un glaçon à -18 °C craque et se fend de l'intérieur.
Ce n'est pas la boisson qui brise la glace.
C'est la lutte entre l'extérieur réchauffé et le cœur resté froid.
Un phénomène similaire, où une pierre se brise à cause d'un écart de température, est présenté dans « Pourquoi une pierre de rivière peut-elle éclater quand on l'utilise pour construire un foyer ? ». L'idée que l'eau transmet la chaleur plus vite que l'air est expliquée dans « Pourquoi peut-on rester dans un sauna à 90 °C sans problème ? ». Le mécanisme qui fait apparaître les fissures en blanc est détaillé dans « La glace est transparente, alors pourquoi la neige est-elle blanche ? ».
- Sortez deux glaçons du congélateur. Mettez immédiatement le premier dans un verre d'eau. Approchez l'oreille et observez le bruit et les fissures.
- Laissez le second reposer sur une assiette pendant environ 2 minutes. Dès que sa surface devient humide, plongez-le dans un autre verre d'eau. Comparez de la même manière le bruit et les fissures.
- Si vous le pouvez, essayez aussi avec de l'eau tiède à la place de l'eau froide. Observez si un plus grand écart de température produit plus de fissures.
Les éclats de glace brisée peuvent avoir des arêtes pointues. Ne serrez pas la glace trop fort à main nue, et prenez garde à ne pas vous couper la bouche sur le bord du verre. N'utilisez jamais d'eau bouillante.
Pour en savoir plus ― termes, formules, liens avec les manuels scolairesDu niveau collège jusqu'aux matières spécialisées universitaires, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeNiveau abordé en sciences au collège
- LycéeNiveau abordé en physique au lycée
- Lycée+Niveau avancé du lycée, ou contenu traité en encadré dans les manuels
- UniversitéNon enseigné au lycée : matière spécialisée universitaire (résistance des matériaux, mécanique de la rupture)
- RechercheSujet qui n'est même pas encore enseigné comme « établi » à l'université, et que des chercheurs étudient actuellement
CollègeTerminologie : ce phénomène a un nom
- Dilatation thermique : léger accroissement de volume d'un objet quand il se réchauffe. La glace se dilate aussi en se réchauffant.
- Contrainte thermique : force de compression ou de traction qui apparaît à l'intérieur d'un objet lorsque la température y varie selon les endroits.
- Choc thermique : rupture d'un objet due à la contrainte thermique lors d'un réchauffement ou d'un refroidissement brusque. C'est le même phénomène qui fait éclater un verre quand on y verse de l'eau bouillante.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle force de traction s'exerce sur le cœur d'un glaçon de congélateur ?
Supposons que la couche externe atteigne 0 °C tandis que le cœur reste à la température du congélateur. On estime la force générée lorsque le taux de dilatation que l'extérieur « voudrait » atteindre est entièrement contrarié.
| En notation symbolique | σ = E × α × ΔT |
| En mots | Force interne = rigidité de la glace × allongement par °C × écart de température |
| Origine de la formule | Le taux d'allongement dû à l'écart de température (α × ΔT) est introduit dans la loi de Hooke (force = rigidité × taux d'allongement). C'est la valeur maximale obtenue lorsque la dilatation est totalement empêchée |
| σ | Contrainte thermique. Force exercée à l'intérieur de la glace (en MPa = 1 million de newtons par mètre carré) |
| E | Module de Young. Grandeur représentant la rigidité de la glace (résistance à l'allongement), en MPa |
| α | Coefficient de dilatation linéaire. Facteur d'allongement de la longueur par °C de réchauffement, en 1/°C |
| ΔT | Écart de température entre l'extérieur et le cœur, en °C |
| Module de Young de la glace E | environ 9000 MPa |
| Coefficient de dilatation linéaire α près de 0 °C | environ 0,00005 /°C |
| Écart de température ΔT entre le glaçon de congélateur et sa surface à 0 °C | 18 °C |
| Résistance à la traction de la glace | environ 0,7 à 3 MPa (ici, on prend la valeur basse de 1 MPa) |
| Force générée par 1 °C d'écart | 9000 × 0,00005 = 0,45 MPa |
| Force générée par un écart de 18 °C | 0,45 × 18 = 8,1 MPa |
| Rapport à la résistance à la rupture | 8,1 ÷ 1 = 8,1 fois |
| Écart de température à partir duquel la rupture commence | 1 ÷ 0,45 ≈ 2,2 °C |
Selon cette estimation, un écart de seulement 2 °C environ suffit à atteindre la résistance à la rupture de la glace. 8,1 MPa équivaut à une force de traction d'environ 80 kg par centimètre carré. En réalité, la température varie progressivement, donc la force réelle est plus faible, mais cet écart d'ordre de grandeur explique déjà pourquoi un glaçon à -18 °C se brise facilement.
LycéeLycée+Pourquoi la casse se produit-elle surtout « dans l'eau » ?
LycéeLa chaleur s'écoule toujours du chaud vers le froid. L'eau liquide transmet, pour un même écart de température, beaucoup plus de chaleur à la surface d'un objet que l'air. C'est pourquoi, dans une boisson, seule la surface du glaçon se réchauffe brusquement, et l'écart de température entre l'extérieur et le cœur s'ouvre fortement.
Lycée+La profondeur jusqu'où la chaleur pénètre dans la glace augmente proportionnellement à la racine carrée du temps (diffusion thermique). Dans les premières secondes suivant l'immersion, la couche réchauffée est très fine, créant juste en dessous une pente de température très raide. Plus cette pente est raide, plus la contrainte thermique est élevée. Dans l'air, où le réchauffement est lent, la pente est plus douce, ce qui réduit le risque de casse.
UniversitéRupture fragile et résistance au choc thermique
En résistance des matériaux, on appelle « rupture fragile » le type de rupture, comme celui de la glace, qui se produit d'un coup sans allongement préalable. Selon la mécanique de la rupture, tout matériau contient dès l'origine de minuscules défauts ou bulles, et la force de traction se concentre à leur extrémité. C'est pourquoi la glace est tellement plus faible en traction qu'en compression. La résistance au choc thermique se compare en divisant la résistance à la rupture par E × α. Cette valeur est faible pour la glace, qui est considérée comme plus vulnérable au choc thermique que le verre.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Contrainte thermique (Wikipédia japonais) / Mécanique de la rupture (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- D'où part la première fissure ? On pense que les bulles d'air ou les joints entre cristaux dans la glace servent de point de départ, mais prévoir à l'avance à partir de quel défaut une fissure va se propager reste aujourd'hui difficile.
- Taille des cristaux et fragilité. Plus les grains cristallins de la glace sont grands, plus la résistance à la traction semble faible, selon certaines observations. L'effet de l'orientation des grains et des impuretés fait encore l'objet de recherches.
- Lien avec la rupture de la glace de mer et des glaciers. On pense que la contrainte thermique joue aussi un rôle lorsque la glace d'un lac ou de la mer se brise bruyamment lors d'une nuit froide. La façon dont la rupture se propage, à l'échelle de quelques mètres à quelques kilomètres, est encore à l'étude.
Le contenu de cet article correspond donc à « ce que l'on comprend à ce jour ». Les valeurs utilisées ici ne sont que des repères, qui varient selon la façon dont la glace est fabriquée et sa température.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, « changements d'état de la matière », « transmission de la chaleur » | La dilatation par la chaleur, la transmission rapide de chaleur par l'eau |
| Lycée | Physique, « chaleur et température », « force élastique (loi de Hooke) » | Vérification par le calcul (σ = E × α × ΔT) |
| Lycée+ | Physique avancée, « conduction thermique » | Finesse de la couche réchauffée et pente de température raide |
| Université | Résistance des matériaux, mécanique de la rupture | Rupture fragile, comparaison de la résistance au choc thermique |
| Recherche | Propriétés physiques de la glace, glaciologie | Point de départ des fissures, lien avec la taille des cristaux |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Acclimater la glace 1 à 2 minutes avant usage, ne pas poser un objet froid sur du verre chaud |
- Petrovic, J. J. (2003) Review: Mechanical properties of ice and snow. Journal of Materials Science 38, 1–6
- Schulson, E. M. & Duval, P. (2009) Creep and Fracture of Ice. Cambridge University Press
- Hobbs, P. V. (1974) Ice Physics. Oxford University Press
- Observatoire astronomique national du Japon (éd.), Chronological Scientific Tables, Maruzen Publishing (國立天文台編『理科年表』丸善出版) (sections physique/chimie : valeurs des propriétés physiques de la glace)
※Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées ne sont que des repères et des estimations destinés à comprendre le mécanisme. Les propriétés physiques de la glace varient fortement selon sa fabrication, sa température et la quantité de bulles d'air qu'elle contient.