Post on 12-Jan-2016
description
Bulles : son et lumièreBulles : son et lumière
Sébastien BALIBAR et Frédéric CAUPINSébastien BALIBAR et Frédéric CAUPINLaboratoire de Physique Statistique Laboratoire de Physique Statistique
de l’Ecole Normale Supérieure (Paris)de l’Ecole Normale Supérieure (Paris)
Espace des Sciences de Paris, ESPCI, 15 sept. 03Espace des Sciences de Paris, ESPCI, 15 sept. 03
un prétexte pour parler de la matière qui "change d'état":
ébullition, cristallisation, cavitation- dans la vie quotidienne
- au laboratoire
lorsque l'eau bout ...lorsque l'eau bout ...
la matière (l'eau) change d'état:état liquide -> état gazeux
cuisine
casserole
feu
des bulles apparaissent sur les parois
parois, gaz dissousparois, gaz dissous
Champagne !
des bulles apparaissent sur les parois du verremais pas sur les parois de la bouteilleles 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
le champagne ne bout pas, mais la pression baisseet le gaz carbonique en solution tend à s'évaporer
Faire bouillir de l'eau sans chaufferFaire 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)
l'eau dégazée, qui a déjà été pompée, s'évapore et bouillonne peusauf en préesence de parois hydrophobes (téflon)
attention! l'eau ordinaire, contient des microbulles d'air qui favorisent l'apparition de bulles, et bouillonne beaucoup
le diagramme de phases des physiciensle 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
0 température T
pre
ssio
n P
diagramme de phases
cristallisation
ébullition
cristal (solide)
liquide
cavitation
fusion
gaz
beaucoup de changements d'état sont discontinus
les exemples de l'eau:
• la densité change brutalement• équilibre de deux états en coexistence• métastabilité possible d'un seul état (retard au changement d'état)
surchauffe à + 280°C à pression atmosphérique
métastabilité en dépression : hélices, cavitation acoustique
surfusion jusqu'à - 41°C à pression atmosphérique
tension de surfacetension de surface
Pourquoi ces retards au changement vers un état plus stable?exemple liquide -> gazPour que la gaz apparaisse,
il faut créer au moins un peu de surface de séparation entre du gaz et du liquideOr, 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)
liquide
gaz
origine physique de l'énergie de surface du liquide :les atomes ou molécules ont moins de voisins que dans le volumedonc leur énergie potentielle est plus grandele liquide minimise son énergie en minimisant sa surfaceautrement dit : il existe une force, la "tension de surface" qui tend à minimiser toute surface
expériences : bulles de savon
cavitationcavitationderrière l'hélice derrière l'hélice
d'un bateaud'un bateau
pas de parois, mais des microbulles d'air qui grossissent en se chargeant de vapeur d'eau
photo: DGA, bassin des carènes
1 tourbillonderrière chaque pale de l'hélice
le fluide tourne autour du coeur de chaque tourbillonla vitesse V est plus grande au coeurdoncla pression y est plus faible:c'est là que les bulles apparaissent (loi de Bernoulli)
V ~ 1/rV ~ 1/r
r
Daniel BernoulliDaniel 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 sommeP + 1/2 V 2 ( P est la pression, 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 expériences simples3 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 à travers un trou : aspirer une plaque
- souffler au bord d'un tube
météorologie: tornadesmétéorologie: tornades
la tornade est une grosse structure tourbillonnairegrande dépression en son coeur
cyclones et anticyclones
dépression au coeur des grandes structures cycloniques
QuickTime™ et undécompresseur GIFsont requis pour visionner cette image.
hélices : P = -1 barhélices : P = -1 bar
photo: DGA, bassin des carènes
au coeur des tourbillons,la pression est négative, de l'ordre de - 1 bar
Pressions négativesPressions négatives
comprimer un liquide: comprimer un liquide: P et P et augmententaugmentent
(tant que le liquide ne cristallise pas)(tant que le liquide ne cristallise pas)
étirer un liquide:étirer un liquide:P et P et diminuent diminuent
(tant qu'aucune bulle n'apparaît)(tant qu'aucune bulle n'apparaît) pistonpiston
liquide P < 0liquide P < 0
pistonpiston
liquide P > 0liquide P > 0
pression négative = extension, contrainte positivepression négative = extension, contrainte positive------------------------------------
jamais dans un gaz, parfois dans un liquidejamais dans un gaz, parfois dans un liquidematière condensée : forces de cohésion attractives matière condensée : forces de cohésion attractives
dans la nature: en haut des grands arbresdans la nature: en haut des grands arbresau laboratoire : Berthelot , Zheng, ultrasonsau laboratoire : Berthelot , Zheng, ultrasons
les crevettes du golfe du Mexique ...les crevettes du golfe du Mexique ...
Michel VersluisAnna von der HeydtDetlef LohseDept Physique Twente Pays Bas
Barbara SchmitzDept zoologie Munich
... font trop de bruit... font trop de bruit
QuickTime™ et undécompresseur codec YUV420sont requis pour visionner cette image.
l'eau à pression négative : M. Berthelotl'eau à pression négative : M. BerthelotAnnales de Chimie et de Physique 30, 232 (1850)Annales de Chimie et de Physique 30, 232 (1850)
tube scellé, plein d'eau à 28 °Ctube scellé, plein d'eau à 28 °Crefroidissement à 18°C => P ~ - 50 bar refroidissement à 18°C => P ~ - 50 bar
l'eau à - 1400 barl'eau à - 1400 bar
inclusions d'eau liquide inclusions d'eau liquide dans du quartzdans du quartz
- 140 MPa = - 1400 bar - 140 MPa = - 1400 bar
Q. Zheng, D.J. Durben, G.H. Wolf and C.A. Angell (1991)Q. Zheng, D.J. Durben, G.H. Wolf and C.A. Angell (1991)
ce minimum existe-t-il ?
une prédiction de R. Speedy contestée par H. Stanley et al.
ondes acoustiques de grande amplitudeondes acoustiques de grande amplitude
un test de la cohésion des liquides: expériences en courshélium, fréon, éthanol, eau au laboratoire de Physique Statistique de l'Ecole Normale Supérieure
laserlaser
lentillelentille
émetteur d'ultrasonsémetteur d'ultrasons (1 MHz)(1 MHz)
cavitationcavitation acoustique acoustique
QuickTime™ et undécompresseur sont requis pour visionner cette image.éthanolcaméra rapide
les crevettes émettent de la lumière !les crevettes émettent de la lumière !
QuickTime™ et undécompresseur sont requis pour visionner cette image.
sonoluminescence
S. Putterman et al.Université de Californieà Los Angeles
2 bulles sont piégées et respirent à la fréquence du soncompression très rapideéchauffement violent du gaz à l'intérieur qui s'ioniseet émet de la lumière bleue(T ~ 30 000 degrés !)
conclusion
différentes bullesson - lumièrechangements d'état de la matière
petits pénomènes quotidiensun exemple de sujet de recherches actuelles dans notre laboratoiretester la cohésion de la matière liquide