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Bulles : son et lumière. Sébastien BALIBAR et Frédéric CAUPIN Laboratoire de Physique Statistique de l’Ecole Normale Supérieure (Paris). un prétexte pour parler de la matière qui "change d'état": ébullition, cristallisation, cavitation dans la vie quotidienne au laboratoire.

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Presentation Transcript
bulles son et lumi re
Bulles : son et lumière

Sébastien BALIBAR et Frédéric CAUPIN

Laboratoire de Physique Statistique

de l’Ecole Normale Supérieure (Paris)

  • un prétexte pour parler de la matière qui "change d'état":
  • ébullition, cristallisation, cavitation
  • dans la vie quotidienne
  • au laboratoire

Espace des Sciences de Paris, ESPCI, 15 sept. 03

lorsque l eau bout
lorsque l'eau bout ...

cuisine

casserole

feu

la matière (l'eau) change d'état:

état liquide -> état gazeux

des bulles apparaissent sur les parois

parois gaz dissous

Champagne !

parois, gaz dissous

le champagne ne bout pas, mais la pression baisse

et le gaz carbonique en solution tend à s'évaporer

des bulles apparaissent sur les parois du verre

mais pas sur les parois de la bouteille

les parois de la bouteille sont plus propres,

plus lisses,

moins favorables à l'apparition des bulles que celles du verre

(surtout si on ne l'a pas mis au lave vaisselle)

- mise en bouteilles

- parfum du champagne

faire bouillir de l eau sans chauffer
Faire bouillir de l'eau sans chauffer

la matière change d'état

sous l'effet d'un changement de température T

ou de pression P

par exemple:

l'eau bout si on la chauffe (T augmente)

ou si on la pompe (P diminue)

attention!

l'eau ordinaire, contient des microbulles d'air

qui favorisent l'apparition de bulles, et bouillonne beaucoup

l'eau dégazée, qui a déjà été pompée, s'évapore et bouillonne peu

sauf en préesence de parois hydrophobes (téflon)

le diagramme de phases des physiciens

diagramme de phases

fusion

cristallisation

liquide

pression P

cristal

(solide)

ébullition

gaz

cavitation

0

température T

le diagramme de phases des physiciens

à quelle température T

et à quelle pression P

un état de la matière

est-il stable ?

une représentation

des états de la matière

dans le plan (P,T)

gaz

beaucoup de changements d tat sont discontinus
beaucoup de changements d'état sont discontinus
  • la densité change brutalement
  • équilibre de deux états en coexistence
  • métastabilité possible d'un seul état (retard au changement d'état)

les exemples de l'eau:

surfusion jusqu'à - 41°C à pression atmosphérique

surchauffe à + 280°C à pression atmosphérique

métastabilité en dépression : hélices, cavitation acoustique

tension de surface

gaz

liquide

tension de surface

Pourquoi ces retards au changement vers un état plus stable?

exemple liquide -> gaz

Pour que la gaz apparaisse,

il faut créer au moins un peu de surface

de séparation entre du gaz et du liquide

Or, cela coûte de l'énergie :

il y a une "barrière d'énergie" à franchir

pour faire apparaître l'état le plus stable (ici, le gaz)

origine physique de l'énergie de surface du liquide :

les atomes ou molécules ont moins de voisins que dans le volume

donc leur énergie potentielle est plus grande

le liquide minimise son énergie en minimisant sa surface

autrement dit : il existe une force, la "tension de surface"

qui tend à minimiser toute surface

expériences : bulles de savon

cavitation derri re l h lice d un bateau

photo: DGA,

bassin des carènes

r

le fluide tourne autour du coeur de chaque tourbillon

la vitesse V est plus grande au coeur

donc

la pression y est plus faible:

c'est là que les bulles apparaissent (loi de Bernoulli)

V ~ 1/r

cavitationderrière l'hélice d'un bateau

1 tourbillon

derrière chaque pale

de l'hélice

pas de parois, mais des microbulles d'air

qui grossissent en se chargeant de vapeur d'eau

daniel bernoulli
Daniel Bernoulli
  • entre 1733 à St Petersbourg,
  • (avec Leonard Euler,
  • son assistant chez Catherine I )
  • et 1738 à Bâle,
  • Daniel Bernoulli a établi
  • la "loi de Bernoulli" selon laquelle la somme
  • P + 1/2 r V2 ( P est la pression, r la densité et V la vitesse du fluide)
  • est constante
  • donc
  • là où la vitesse est grande, la pression est faible
  • - 3 petites expériences: attirer des feuilles de papier
  • - tornades et cyclones
3 exp riences simples
3 expériences simples
  • souffler entre deux feuilles :
  • la vitesse de l'air est plus grande,
  • donc la pression plus faible entre les deux feuilles
  • -> elles s'attirent

- souffler au bord d'un tube

  • souffler à travers un trou :
  • aspirer une plaque
m t orologie tornades
météorologie: tornades

la tornade est une grosse structure tourbillonnaire

grande dépression en son coeur

cyclones et anticyclones
cyclones et anticyclones

dépression au coeur des grandes structures cycloniques

h lices p 1 bar

photo: DGA,

bassin des carènes

hélices : P = -1 bar

au coeur des tourbillons,

la pression est négative,

de l'ordre de - 1 bar

pressions n gatives

piston

liquide P > 0

liquide P < 0

piston

Pressions négatives

comprimer un liquide:

P et r augmentent

(tant que le liquide ne cristallise pas)

étirer un liquide:

P et r diminuent

(tant qu'aucune bulle n'apparaît)

pression négative = extension, contrainte positive

------------------

jamais dans un gaz, parfois dans un liquide

matière condensée : forces de cohésion attractives

dans la nature: en haut des grands arbres

au laboratoire : Berthelot , Zheng, ultrasons

les crevettes du golfe du mexique
les crevettes du golfe du Mexique ...

Michel Versluis

Anna von der Heydt

Detlef Lohse

Dept Physique Twente Pays Bas

Barbara Schmitz

Dept zoologie Munich

l eau pression n gative m berthelot annales de chimie et de physique 30 232 1850
l'eau à pression négative : M. BerthelotAnnales de Chimie et de Physique 30, 232 (1850)

tube scellé, plein d'eau à 28 °Crefroidissement à 18°C => P ~ - 50 bar

l eau 1400 bar
l'eau à - 1400 bar

Q. Zheng, D.J. Durben, G.H. Wolf and C.A. Angell (1991)

inclusions d'eau liquide dans du quartz

- 140 MPa = - 1400 bar

ce minimum

existe-t-il ?

une prédiction de R. Speedy

contestée par H. Stanley et al.

ondes acoustiques de grande amplitude

émetteur d'ultrasons

(1 MHz)

ondes acoustiques de grande amplitude

laser

lentille

un test de la cohésion des liquides: expériences en cours

hélium, fréon, éthanol, eau

au laboratoire de Physique Statistique de l'Ecole Normale Supérieure

cavitation acoustique
cavitation acoustique

éthanol

caméra rapide

sonoluminescence
sonoluminescence

S. Putterman et al.

Université de Californie

à Los Angeles

2 bulles sont piégées et

respirent à la fréquence du son

compression très rapide

échauffement violent du gaz

à l'intérieur qui s'ionise

et émet de la lumière bleue

(T ~ 30 000 degrés !)

conclusion
conclusion

différentes bulles

son - lumière

changements d'état de la matière

petits pénomènes quotidiens

un exemple de sujet de recherches actuelles dans notre laboratoire

tester la cohésion de la matière liquide