Pourquoi les patinoires restent-elles gelées?

Parlons sciences
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Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Chaque patinoire représente un exemple des lois sur les gaz et de liaisons moléculaires à l’œuvre!

Le hockey. Le patinage artistique. Le patinage de vitesse. Le curling. Qu’est-ce que ces sports ont en commun?

Tu as deviné : ils se déroulent tous sur la glace! Ce n’est pas surprenant que tous ces sports soient aussi populaires au Canada. T’es-tu déjà demandé comment on fabrique la glace pour ces sports?

Le savais-tu?

Des chercheurs pensent que le patin sur glace a commencé en Finlande il y a 5 000 ans! Les premiers patins étaient fabriqués en os. Ils étaient probablement utilisés pour traverser des étangs et des lacs gelés. 

Pourquoi se forme-t-il de la glace à la surface de l’eau?

Comme tu sais, les trois états de la matière les plus courants sont les états solides, liquides et gazeux. Dans les solides, les minuscules molécules qui composent la matière (les atomes) sont très serrées les unes contre les autres. Par ailleurs, les atomes des liquides et des gaz sont moins serrés. C’est pourquoi ces substances peuvent circuler ou être versées. La plupart des liquides deviennent plus denses lorsqu’ils se transforment en solides. C’est pourquoi les matières denses coulent généralement lorsqu’elles sont placées dans une matière moins dense. Mais ce n’est pas ce qui se produit avec de la glace! 

L’eau liquide est la plus dense à environ quatre degrés Celsius. Elle devient moins dense lorsqu’elle gèle et se transforme en solide. C’est pourquoi les cubes de glace flottent lorsque tu les mets dans ton verre! Mais pourquoi donc l’eau est-elle différente des autres substances? 

Albert explique la science derrière la flottaison de la glace dans ton verre (2019) (2 min 10 s).

Le savais-tu?

L’un des effets de la liaison hydrogène dans l’eau liquide est la tension superficielle élevée. C’est ce qui permet à des animaux comme les patineur d’eau de marcher sur la surface de l’eau.

Qu’est-ce qui permet à l’eau de se comporter ainsi?

Une molécule d’eau est constituée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène (H2O). L’hydrogène et l’oxygène sont des molécules polaires, de sorte qu’elles forment des liaisons covalentes polarisées. Les électrons des molécules d’eau passent plus de temps près du noyau des atomes d’oxygène que des atomes d’hydrogène. Ceci est attribuable à l’électronégativité élevée de l’oxygène. Les molécules d’eau sont des molécules polaires. Ceci, à cause du partage inégal des électrons et de leur forme courbée

Molécule d’eau illustrant le partage des électrons formant des liaisons covalentes
Molécule d’eau illustrant le partage des électrons formant des liaisons covalentes (© 2019 Parlons sciences).

L’eau est considérée comme une molécule généralement neutre. Mais en raison de sa polarité, l’hydrogène a une charge légèrement positive et l’oxygène a une charge légèrement négative. Cela signifie qu’elle est très attirante pour les autres molécules d’eau. Cette attirance entraîne des liaisons hydrogène qui se forment entre les molécules d’eau. Autrement dit, l’atome d’oxygène d’une molécule d’eau sera attiré par les atomes d’hydrogène des autres molécules d’eau.  

Molécule d’eau illustrant la polarité
Molécule d’eau illustrant la polarité (Source : Mario Olaya via Pixabay). 

Lorsque l’eau est à l’état liquide, les molécules bougent constamment. Elles demeurent relativement près les unes des autres. Mais lorsque l’eau gèle et passe à l’état solide (la glace), la liaison hydrogène oblige les molécules à former un réseau cristallin d’hexagones. Ce réseau cristallin ressemble au motif d’un ballon de soccer. Ce processus rend le mouvement des molécules plus difficile. Cela les éloigne légèrement les unes des autres. C’est ce qui rend la glace moins dense que l’eau. 

Disposition moléculaire des molécules d’eau dans la glace et dans l’eau liquide
Disposition moléculaire des molécules d’eau dans la glace et dans l’eau liquide (© 2019 Parlons sciences).

Le savais-tu?

Le glycol est un alcool à deux groupes hydroxyle (OH). Il demeure liquide même à des températures inférieures à zéro degré Celsius. Il est souvent utilisé dans les tuyaux sous les patinoires.

Comment peut-on garder les patinoires gelées?

Les patinoires naturelles, comme les lacs gelés, dépendent du temps froid. Mais certaines patinoires artificielles possèdent des technologies de refroidissement spéciales qui permettent de patiner dessus même lorsque la température est supérieure à zéro degré Celsius. 

Certaines de ces technologies spécialisées reposent sur les gaz pour fournir des chauffer ou de refroidir. Mais avant que tu puisses comprendre comment ce processus fonctionne, tu dois comprendre les lois sur les gaz. Ces lois comprennent la loi de Boyle, la loi de Charles et la loi d’Avogadro. 

La loi de Boyle stipule que le volume de gaz augmente lorsque la pression diminue. La loi de Charles stipule que le volume de gaz augmente à mesure que la température augmente. La loi d’Avogadro stipule que le volume de gaz augmente à mesure que la quantité de gaz augmente. 

Les technologies qui permettent d’avoir de la glace dans les patinoires artificielles ont été conçues en fonction de ces lois.

Voici un bref aperçu du fonctionnement de ces systèmes de réfrigération. Tout d'abord, l’électricité alimente un compresseur qui concentre les molécules d’un fluide réfrigérant (comme le gaz ammoniac [NH3] ou plus sécuritaire, le gaz carbonique [CO2] ) plus près les unes des autres jusqu’à ce qu’elles deviennent liquides. Cela libère beaucoup de chaleur indésirable. Cette chaleur est évacuée ou utilisée dans un autre procédé.

Le liquide comprimé peut ensuite reprendre de l’expansion et redevenir un gaz. Pour prendre de l’expansion, il doit absorber la même quantité d’énergie qu’il a dégagée lorsqu’il était comprimé. Il absorbe cette énergie sous forme de chaleur. Le gaz absorbe la chaleur environnante, ce qui refroidit beaucoup tout ce qui est près de lui.

Le gaz froid sert ensuite à refroidir un liquide appelé saumure. La saumure est une solution d’eau très salée. Elle est pompée par des tuyaux sous la patinoire. Et voilà, de la glace froide par temps doux, ou même à l’intérieur!

 

Parties d’une surface de glace artificielle, y compris A : patinoire; B : plancher de béton; C : tuyaux contenant de la saumure; D : couche isolante; E : béton chauffé; F : base de sable et de gravier; et G : drain des eaux souterraines.
Parties d’une surface de glace artificielle, y compris A : patinoire; B : plancher de béton; C : tuyaux contenant de la saumure; D : couche isolante; E : béton chauffé; F : base de sable et de gravier; et G : drain des eaux souterraines. (© 2019 Parlons sciences, utilisation d’une image de sayu_k via iStockphoto).

 

Amorces de discussion

Faire des liens

  • As-tu déjà fait des glaçons dans un bac à glaçons? Comment la hauteur de l’eau que tu as versée au départ dans le bac se compare-t-elle à la hauteur des glaçons? 
  • Qu’est-ce qui se passe au bord d’un étang ou d’un lac lorsque l’eau gèle en hiver?
  • Pratiques-tu des sports d’hiver qui nécessitent une surface glacée? Quel type de surface glacée préfères-tu?   
     

Faire des liens

  • As-tu déjà fait des glaçons dans un bac à glaçons? Comment la hauteur de l’eau que tu as versée au départ dans le bac se compare-t-elle à la hauteur des glaçons? 
  • Qu’est-ce qui se passe au bord d’un étang ou d’un lac lorsque l’eau gèle en hiver?
  • Pratiques-tu des sports d’hiver qui nécessitent une surface glacée? Quel type de surface glacée préfères-tu?   
     

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement

  • Comment la science et la technologie sont-elles combinées pour créer des patinoires intérieures? Explique .
  • Comment les changements environnementaux, comme ceux qui sont associés aux changements climatiques, peuvent-ils avoir des répercussions économiques et culturelles sur les activités récréatives hivernales? Explique.
     

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement

  • Comment la science et la technologie sont-elles combinées pour créer des patinoires intérieures? Explique .
  • Comment les changements environnementaux, comme ceux qui sont associés aux changements climatiques, peuvent-ils avoir des répercussions économiques et culturelles sur les activités récréatives hivernales? Explique.
     

Explorer les concepts

  • Qu’est-ce qui donne aux molécules d’eau leur forme particulière? 
  • Comment la densité de l’eau change-t-elle à mesure qu’elle passe de l’état liquide à l’état solide? 
  • Quels types de liaisons se forment entre les molécules d’eau lorsque celle-ci gèle? Comment ces liaisons modifient-elles la densité de la glace? 
  • Comment les lois sur les gaz sont-elles impliquées dans la fabrication d’une patinoire intérieure? 
  • Comment des variables comme la température de la surface, la température de l’air et l’humidité influencent-elles la qualité de la glace produite sur les patinoires de hockey?
     

Explorer les concepts

  • Qu’est-ce qui donne aux molécules d’eau leur forme particulière? 
  • Comment la densité de l’eau change-t-elle à mesure qu’elle passe de l’état liquide à l’état solide? 
  • Quels types de liaisons se forment entre les molécules d’eau lorsque celle-ci gèle? Comment ces liaisons modifient-elles la densité de la glace? 
  • Comment les lois sur les gaz sont-elles impliquées dans la fabrication d’une patinoire intérieure? 
  • Comment des variables comme la température de la surface, la température de l’air et l’humidité influencent-elles la qualité de la glace produite sur les patinoires de hockey?
     

Suggestions pour l'enseignement

  • Cet article et la vidéo intégrée peuvent être utilisés pour appuyer l’enseignement et l’apprentissage de la chimie, de la physique, de la chaleur et de l’énergie, et de la technologie et l’ingénierie liés aux cristaux, aux liaisons moléculaires et aux lois sur les gaz. Les concepts introduits comprennent les états de la matière, les atomes, les liaisons covalentes polarisées, l’électronégativité, incliné, polaire, neutre, liaisons hydrogène, réseau cristallin, lois sur les gaz, loi de Boyle, loi de Charles, loi d’Avogadro, fluide réfrigérant, ammoniac et saumure.
  • Après avoir lu l’article et visionné la vidéo, les enseignants pourraient demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Toile de définition du concept pour la notion de glace. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Document Google] et [PDF]. 
  • Pour collecter et comparer l’information contenue dans la vidéo avec celle de l’article, les enseignants pourraient demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Diagramme de Venn – Texte et vidéo. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Document Google] et [PDF].
  • Pour en savoir plus sur les particularités de la fabrication d’une patinoire, les enseignants pourraient demander aux élèves de regarder la vidéo Comment fonctionne une patinoire? C’est pas sorcier (2016).

Suggestions pour l'enseignement

  • Cet article et la vidéo intégrée peuvent être utilisés pour appuyer l’enseignement et l’apprentissage de la chimie, de la physique, de la chaleur et de l’énergie, et de la technologie et l’ingénierie liés aux cristaux, aux liaisons moléculaires et aux lois sur les gaz. Les concepts introduits comprennent les états de la matière, les atomes, les liaisons covalentes polarisées, l’électronégativité, incliné, polaire, neutre, liaisons hydrogène, réseau cristallin, lois sur les gaz, loi de Boyle, loi de Charles, loi d’Avogadro, fluide réfrigérant, ammoniac et saumure.
  • Après avoir lu l’article et visionné la vidéo, les enseignants pourraient demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Toile de définition du concept pour la notion de glace. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Document Google] et [PDF]. 
  • Pour collecter et comparer l’information contenue dans la vidéo avec celle de l’article, les enseignants pourraient demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Diagramme de Venn – Texte et vidéo. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Document Google] et [PDF].
  • Pour en savoir plus sur les particularités de la fabrication d’une patinoire, les enseignants pourraient demander aux élèves de regarder la vidéo Comment fonctionne une patinoire? C’est pas sorcier (2016).

En savoir plus

VERT et NET - Réfrigérer au CO2 avec Carnot Réfrigération (2013)

Véronique Paquette-Corriveau découvre les innovations technologiques qui permet de réfrigérer écologiquement trois patinoires en plus de chauffer deux piscines (3 min 31 s).

Les lois simples des gaz

Une introduction et des ressources supplémentaires sur les lois du gaz d'Alloprof.

Comment faire une patinoire chez soi

Directives sur la fabrication d’une patinoire extérieure à « faible technologie » en hiver de Canal Vie.

Comment fonctionne une patinoire? (2016)

Une courte illustration du fonctionnement d'une patinoire (1 min 16 s) de C'est pas sorcier.

Références

Frahm, W. (2013, January 21). Michigan Tech ice rink goes green. Michigan Tech.

LibreTexts Chemistry. (2019, June 5). Gas laws: Overview.

Lumen. (n.d.). Water.

Russell, R. (2008, June 25). Solid state. Windows to the Universe.

U.S. Geology Survey. (n.d.). Water density.