L’anomalie dilatométrique est une propriété singulière du comportement de certains corps dont la densité, au lieu d'augmenter continuellement (notamment au cours des changements d'états) pendant leur refroidissement, diminue au contraire à partir d'une température précise, parfois seulement sur certains intervalles de température : autrement dit, dans ces intervalles, le corps se dilate lorsque sa température diminue. L’eau présente une anomalie dilatométrique.

Exemples Plusieurs éléments chimiques présentent une anomalie de densité : l'antimoine, le bismuth, le gallium, le germaniumLe germanate de cuivre et fer , monoclinique et constitué de chaînes d'octaèdres en zigzag ; il présente un coefficient de dilatation thermique unidirectionnel négatif entre et ; cf. ., le plutonium et le silicium ainsi que certains alliages comme le tungstate de zirconium α-Cet alliage se contracte lorsque la température augmente entre - et , température à laquelle le matériau se dissocie. Ce phénomène a aussi été observé pour d'autres membres de la famille (A = Zr ou Hf et M = Mo ou W) ; cf. à ce sujet . et le cyanure de zinc. Claude Pouillet observait déjà en 1836 que Mais le corps chimique le plus important présentant cette anomalie est encore l'eauLa dilatation de l'eau entre et a été décrite par Hippolyte Fizeau en 1866 : voir la bibliographie ci-après..

Cas de l'eau Données empiriques

Dans les conditions normales de pression, l'eau atteint sa masse volumique maximale d'environ à . En-dessous de , l'eau commence à se dilater lorsque la température s'abaisse (y compris au cours du gel). Selon , le maximum de masse volumique de l'eau serait de () à une température de : cet intervalle résulte de la moyenne des résultats obtenus en 2005 par .

On peut exprimer la loi de variation de la masse volumique ρ de l’eau exempte d’oxygène dissous en fonction de la température T (exprimée ici en °C) grâce à l'équation du viriel :

où les coefficients ont pour valeur : a = ; a = ; a = ; a = ; a = ; a = ; et b = . Quant à la masse volumique de l'eau saturée en air dissous, on peut corriger l'équation précédente de la façon suivanteD'après . :

.

Mécanisme alt=Arrangements moléculaire de la glace et de l'eau.|vignette|Arrangements moléculaires de la glace (à gauche) et de l'eau (à droite). À l’état solide (dans le cas de l'eau on parle alors évidemment de « glace »), la cristallisation aboutit à un empilement ordonné de molécules formant un véritable réseau cristallin. À l’état liquide, la même quantité de molécules occupe en principe un volume plus grand du fait des vitesses élevées des molécules et de l’existence d’un libre parcours moyen. Et puisque le volume augmente, la densité doit diminuer (la masse étant constante). Le chaos devient extrême à l’état gazeux : les molécules s’éloignent en moyenne au maximum de manière à remplir le plus uniformément possible le volume disponible.

L’explication de l’anomalie dilatométrique de l’eau réside dans la formation de chaînes moléculaires par liaison par pont hydrogène. Du fait de la formation spécifique de ces chaînes, l’édifice cristallin solide prend plus de place que les molécules disjointes et mobiles de l’état liquide. La solidification est un processus graduel, ce qui veut dire qu’à l’état liquide il existe déjà des agrégats de molécules d'eau liées. À l’eau se trouve dans un état où ces agrégats occupent un volume minimum : sa masse volumique est alors maximale. Lorsque l’on continue d’abaisser la température, l’évolution continue de la structure cristalline exige de plus en plus de place ; lorsqu’au contraire on élève la température, l’agitation moléculaire donne naissance à un libre parcours moyen non nul, qui se traduit par une apparente dilatation.

Conséquence pour la limnologie vignette|Stratification thermique entre l'été et l'hiver dans un lac.|294x294px L'anomalie dilatométrique de l'eau joue un rôle considérable pour la survie des espèces lacustres des zones glaciales. Ainsi en raison de cette anomalie dilatométrique, en-dessous d'une température de les eaux froides de surface ne convectent plus vers le bas, ce qui empêche le refroidissement des eaux plus profondes. Il y a inversion de la stratification thermique entre l'été et l'hiver (voir illustration ci-contre), donnant, l'hiver, naissance à une couche d'inversion : les eaux profondes restent relativement isothermes, et animaux et plantes peuvent, jusqu'à un certain point, survivre sous la glace.

Notes et références

Voir aussi Bibliographie .

Articles connexes Maximum de densité de l'eau

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