Au printemps, il arrive que les arbres aient déjà leurs bourgeons mais que le risque de gel n’ait, lui, pas encore disparu.
Ceci peut être un problème : les bourgeons sont fragiles et un simple coup de gel peut les tuer, ce qui détruira également toutes les futures fleurs et branches de l’arbre et donc toute potentielle récolte…
Il convient donc, pour l’exploitant d’un verger, de protéger ses plantations du froid lors de cette période de l’année.
Pour cela, on peut imaginer faire des feux au milieu des arbres : le feu va produire de la chaleur rayonnante. De plus, la convection thermique produite va empêcher l’air froid de stagner et de givrer.
Ceci est une solution évidente, mais de plus en décriée : brûler du fioul ou un autre combustible pour ça est terriblement inefficient et polluant en plus d’être peu économique, tout comme n’importe quel système de chauffage d’extérieur.
À la place, une des solution consiste à arroser les arbres d’eau. Aussi étrange que ça puisse paraître, arroser des arbres, même d’eau froide peut les empêcher de geler. On parle alors de système anti-gel par aspersion.
Comment ça marche ?
Une question de changement d’état
L’astuce ici est de voir que le passage à l’état solide de l’eau libère de la chaleur, même sans changer de température. Cette chaleur, invisible, est nommée chaleur latente de changement d’état
Il faut savoir que l’eau liquide à 0 °C est nettement plus énergétique que l’eau sous forme de glace à 0 °C, en dehors, donc, de l’énergie liée à une différence de température.
Lorsque l’eau passe de liquide à solide, cette énergie est libérée.
En pratique, on n’obtient pas de la glace chaude, ni même un chauffage, mais la libération de cette chaleur va tout de même nous servir. Si cette eau se trouve sur le bourgeon d’un arbre, l’eau va geler et c’est le bourgeon qui va récupérer cette chaleur : sa température va rester juste au-dessus de 0 °C, sans geler.
Du point de vue du bourgeon, il lui vaut mieux être recouverte de glace à 0 °C que d’air à −4 °C !
En plus de ça, la glace va physiquement protéger le bourgeon du vent froid et glacé.
Attention cependant, car l’eau peut éventuellement rester liquide à des températures négatives. Ce n’est pas un problème pour le bourgeon, mais ceci se produit plus facilement avec de l’eau froide qu’avec de l’eau chaude.
Il s’agit de quelque chose à prendre en compte si l’on pense utiliser de l’eau très chaude sur les arbres : l’eau chaude, de façon étonnante, gèle plus rapidement que l’eau froide. C’est pratique en cuisine pour obtenir des glaçons plus rapidement, mais problématique dans notre cas.
Ce phénomène, appelé Effet Mpemba, n’est pas encore expliqué en 2020, et constitue une importante question en sciences.
Autres exemples où le changement d’état est mis à profit
Ce phénomène, où la solidification d’un corps libère de la chaleur est mis à profit dans les chaufferettes de poche liquides, celles avec un petit bout de métal dedans et que l’on « clic ».
Le liquide, sous l’effet du clic, va se solidifier et libérer son énergie : l’ensemble chauffe alors durant 20~30 minutes à 50 °C. Ce n’est donc pas négligeable (voir mon article sur les chaufferettes de poches, ou bouillottes magique).
De même que passer de liquide à solide libère de l’énergie, passer de gaz à liquide en libère également ! La condensation — la liquéfaction, en réalité — est une méthode pour récupérer de l’énergie.
Les chaudières à condensation tirent profit de cela. La chaudière chauffe de l’eau qui est envoyée dans le circuit des radiateurs. La chauffe, réalisée avec du gaz (ou du fioul) libère des fumées chaudes. Lorsque l’eau du circuit revient vers la chaudière, on la fait passer à travers les fumées pour en récupérer la chaleur. L’eau contenue dans cette fumée se condense et l’on récupère la chaleur latente de liquéfaction, qui réchauffe alors l’eau du circuit (chaleur qui serait autrement évacuée dehors).
Les caloducs pour refroidisseurs de PC fonctionnent également sur ce principe
Dans leur cas, un liquide dans un tube en cuivre est en contact avec la surface chaude et s’évapore en absorbant la chaleur. La vapeur est canalisée vers le ventilateur ; là, la vapeur se liquéfie en libérant la chaleur, qui est évacuée. Le liquide retourne ensuite (par gravité) sur la surface chaude où le cycle peut recommencer.
Les systèmes de pompe à chaleur, les climatiseurs, le réfrigérateur utilisent tous l’énergie de changement d’état d’un corps comme moyen de capter, transporter ou évacuer de la chaleur.
La chaleur latente peut représenter une quantité très importante de chaleur, et donc d’énergie.
Qui plus est, l’eau elle-même possède une chaleur latente de fusion (énergie nécessaire pour faire fondre de la glace) très élevée, en plus d’avoir une capacité thermique très élevée également.
Quand l’eau s’évapore de la surface des océans, la vapeur constitue une grande quantité d’énergie. Quand, en altitude, cette vapeur se condense, la chaleur est libérée et l’air chauffe : c’est en partie cela qui est responsable des courants ascendants à l’origine des cumulonimbus (et donc des orages) ainsi que des cyclones.
Si les cyclones sont dévastateurs, le vent lui-même ne représente que 0,25 % de l’énergie totale véhiculée par cette formation atmosphérique. Les 99,75 % restants le sont sous forme d’énergie thermique dans l’eau et l’air. Il y a donc 400 fois plus d’énergie dans la chaleur de l’eau d’un cyclone que dans le vent soufflé…
