Dossier pédagogique

Printemps des Sciences 2016 – Bruxelles
La thermodynamique, ça passe crème !
ULB – Faculté des Sciences – Département de Physique
Laurie Stevens, Paul Bryssinck, Alexandre de Becker
Nous allons présenter une expérience qui lie la thermodynamique et la crème glacée. Pour cela nous allons préparer de la
crème glacée à l'aide de matériel simple: de la crème fraîche liquide, du sucre, quelque chose en plus qui donnera du goût
(grenadine, jus,...), du sel, des glaçons, de l'eau, un bol, un sachet plastique pouvant être fermée et une boite en plastique.
Cette expérience permettra d’introduire des notions de la thermodynamique nécessaires à la compréhension de
l’expérience.
Pour commencer l'expérience, nous prenons le bol et y mélangeons la crème fraîche, le sucre et l'arôme donnant le goût
désiré. Une fois prêt, nous mettons le mélange obtenu dans le petit sachet en plastique. Dans la boîte en plastique, nous
mettons des glaçons, de l'eau, du sel ainsi que le sachet en plastique au préalable fermé contenant le mélange. Après avoir
bien fermé la boîte en plastique, nous secouons celle-ci pendant une dizaine de minutes (ce temps peut varier selon la
quantité de sel mis dans le mélange eau-glaçons). Nous obtenons alors une délicieuse crème glacée.
Si nous avons pu obtenir de la crème glacée durant cette expérience, c’est grâce à l’ajout de sel dans le mélange glaçon-
eau. En effet, sans le sel, l’équilibre thermodynamique entre les glaçons et l’eau se trouve à 0°C, ce qui n’est pas une
température assez basse pour que notre mélange dans le sachet se transforme en crème glacée.
L’ajout de sel a deux effets. Le premier effet est que la dissolution du sel dans l’eau est une réaction endothermique et
absorbera donc de la chaleur pour se réaliser, cette chaleur proviendra entre autre de notre mélange dans le sachet. Le
deuxième effet de l’ajout de sel est qu’il baisse la température de solidification de l’eau. La solidification de l’eau est une
réaction exothermique, qui produit de la chaleur, et la fusion des glaçons est une réaction endothermique, qui absorbe de
la chaleur. Avec des glaçons et de l’eau non-salée, ces deux réactions se passent en même temps et se complètent. Mais
le fait d’avoir baissé la température de solidification de l’eau fait que nous avons davantage de glace qui fond que d’eau qui
se solidifie. C'est donc le processus endothermique de fusion de la glace qui prend le dessus sur le processus exothermique
de solidification de l'eau, et une fois de plus la chaleur est captée, entre autres, du mélange dans le sachet.
Maintenant que vous savez tous ça, il ne vous reste plus qu’à déguster une délicieuse crème glacée !

La transition de l’état liquide à l’état solide, la solidification,
est un processus exothermique, et inversement, le
passage de l’état solide à l’état liquide, la fusion, est un
processus endothermique.
Et avec du sel ?
Lorsque l’on ajoute du sel, il se produit deux choses : le sel
(NaCl) se dissout en ions Na+ et Cl-, dans un processus
endothermique, ce qui abaisse donc la température du
mélange.
source diagramme de phase: http://www.metaphysik.fr
© Toute reproduction, même partielle, doit indiquer clairement le nom de tous les auteurs, le nom du Département,
ainsi que la mention « Printemps des Sciences 2016 – Exposition des Sciences – Bruxelles »
La thermodynamique, ça passe crème !
DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE
Paul BRYSSINCK, Alexandre DE BECKER, Laurie STEVENS
UNIVERSITÉ LIBRE DE BRUXELLES - FACULTÉ DES SCIENCES
De plus, la dissolution du sel dans l’eau abaisse son point
de fusion. En effet, nous nous retrouvons avec des ions
Na+ et Cl- dans la solution, qui interfèrent avec les
molécules d’eau liquide, qui ont plus de mal à s’approcher
de la glace, et donc, à entrer en contact avec celle-ci pour
geler.
En revanche, la glace continue de fondre au même rythme
vu que pour elle, rien n’a changé ; nous ne sommes donc
plus en équilibre thermodynamique.
Et nous obtenons notre crème glacée !
Comme nous avons plus de glace qui fond que d’eau qui
gèle, la température du mélange baisse encore, puisque la
fonte de la glace est un processus endothermique. Ceci
permet à la crème de refroidir jusqu’à devenir de la crème
glacée.
Evolution de la température en fonction du temps
Faire de la crème glacée n'a jamais été aussi
facile ! Avec des ingrédients de la vie de
tous les jours, et en quelques minutes,
faites votre propre crème glacée !
Mais comment ?
Mélange Eau-Glace
Dans un mélange de glace et d’eau liquide pure, à l’
équilibre thermodynamique, il y a autant de glace qui
fond que d’eau qui gèle. A pression ambiante, cet équilibre
est atteint à 0°C.
Ci-dessus, nos mesures de la température de 200 ml de
crème alors que nous la refroidissions dans un décimètre
cube de mélange glace/eau salée.