bulles : son et lumière

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

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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

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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 !

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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