Bulles : son et lumière Bulles : son et lumière
Sébastien BALIBAR et Frédéric CAUPIN Sébastien BALIBAR et Frédéric CAUPIN
Laboratoire 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. 03 Espace 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 dissous parois, gaz dissous
Champagne !
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
le champagne ne bout pas, mais la pression baisse et le gaz carbonique en solution tend à s'évaporer
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)
l'eau dégazée, qui a déjà été pompée, s'évapore et bouillonne peu sauf 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 physiciens 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
0 température T
pression 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 surface 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) liquide
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 cavitation
derrière l'hélice derrière l'hélice
d'un bateau d'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 tourbillon
derrière chaque pale de l'hélice
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 V ~ 1/r
r
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 V2 ( 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 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 à travers un trou : aspirer une plaque
- souffler au bord d'un tube
météorologie: tornades météorologie: tornades
la tornade est une grosse structure tourbillonnaire grande dépression en son coeur
cyclones et anticyclones
dépression au coeur des grandes structures cycloniques
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hélices : P = -1 bar hélices : P = -1 bar
photo: DGA,
bassin des carènes
au coeur des tourbillons,
la pression est négative,
de l'ordre de - 1 bar
Pressions négatives Pressions 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 < 0 liquide P < 0
piston piston
liquide P > 0 liquide P > 0
pression négative = extension, contrainte positive pression négative = extension, contrainte positive
--- ---
jamais dans un gaz, parfois dans un liquide jamais dans un gaz, parfois dans un liquide
matière condensée : forces de cohésion attractives matière condensée : forces de cohésion attractives
dans la nature: en haut des grands arbres dans la nature: en haut des grands arbres au laboratoire : Berthelot , Zheng, ultrasons 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
... font trop de bruit ... font trop de bruit
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l'eau à pression négative : M. Berthelot l'eau à pression négative : M. Berthelot
Annales de Chimie et de Physique 30, 232 (1850) Annales de Chimie et de Physique 30, 232 (1850)
tube scellé, plein d'eau à 28 °C tube scellé, plein d'eau à 28 °C
refroidissement à 18°C => P ~ - 50 bar refroidissement à 18°C => P ~ - 50 bar
l'eau à - 1400 bar l'eau à - 1400 bar
inclusions d'eau liquide inclusions d'eau liquide dans du quartz
dans 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 amplitude ondes acoustiques de grande amplitude
un test de la cohésion des liquides: expériences en cours hélium, fréon, éthanol, eau
au laboratoire de Physique Statistique de l'Ecole Normale Supérieure laser
laser
lentille lentille
émetteur d'ultrasons émetteur d'ultrasons
(1 MHz) (1 MHz)
cavitation cavitation acoustique acoustique
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éthanol
caméra rapide
les crevettes émettent de la lumière ! les crevettes émettent de la lumière !
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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
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
