Physics
Anomalie de densité de l'eau
La glace flotte parce que son réseau est ouvert. Réchauffez l'eau et le réseau se brise : la densité monte jusqu'à un maximum à 4 °C, puis redescend.
Ce qui se passe
La structure ouverte n'est pas un modèle : c'est la cristallographie de la glace Ih, et la masse volumique issue des paramètres de maille vaut 920 kg/m³ contre 917 mesurés. Le liquide suit l'image à deux structures de Roentgen : les molécules sont soit dans ce réseau ouvert, soit dans un arrangement effondré plus dense, avec un équilibre de Boltzmann entre les deux. Chauffer rompt des liaisons et densifie le mélange ; chauffer dilate aussi les deux structures. Le croisement des deux effets tombe à 4 °C - il en résulte, il n'y est pas mis.
Équations du module
Équations ρ(T) culmine à 3.98 °C Glace : réseau cristallin ouvert, ρ = 0.917 g/cm³ → elle flotte Le chauffage brise le réseau de liaisons hydrogène: ρ augmente, puis la dilatation thermique gagne Eau de mer (UNESCO 1983) : ρ(T, S) sous 1 atm; T_max = 3.98 °C pour S = 0, 1.86 pour S = 10, −0.30 pour S = 20; au-delà de S = 24.5, le maximum rejoint le point de congélation −0.0575 S + … et disparaît Le lac: 40 couches, diffusivité thermique 1.4e-7 m²/s, échange de surface 25 W/m²K, mélange convectif (pas d ' eau plus légère sous une eau plus lourde), glace de Stefan dh/dt = k(T_f − T_air)/(ρ_i L h) Vérification numérique indépendante: 15 °C lac, air −10 °C: toute la colonne d ' eau se refroidit uniformément jusqu ' à 4.9 °C par jour 10; jour 30: glace 47 cm, 0 °C sous elle, 4.0 °C de 2 m au fond; eau de mer à 35: −1.92 °C de haut en bas, pas de couche de fond à la température de densité maximale Glaçon : ρ_ice/ρ_water = 91.7 % du volume immergé dans l’eau douce à 4 °C, 89.2 % dans l’eau de mer; un litre d’eau douce donne 1.091 litre de glace
