bulles : son et lumière

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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

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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. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 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

Page 2: Bulles : son et lumière

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

Page 3: Bulles : son et lumière

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

Page 4: Bulles : son et lumière

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

Page 5: Bulles : son et lumière

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

Page 6: Bulles : son et lumière

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

Page 7: Bulles : son et lumière

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

Page 8: Bulles : son et lumière

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

Page 9: Bulles : son et lumière

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

Page 10: Bulles : son et lumière

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

Page 11: Bulles : son et lumière

météorologie: tornadesmétéorologie: tornades

la tornade est une grosse structure tourbillonnairegrande dépression en son coeur

Page 12: Bulles : son et lumière

cyclones et anticyclones

dépression au coeur des grandes structures cycloniques

QuickTime™ et undécompresseur GIFsont requis pour visionner cette image.

Page 13: Bulles : son et lumière

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

Page 14: Bulles : son et lumière

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

Page 15: Bulles : son et lumière

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

Page 16: Bulles : son et lumière

... font trop de bruit... font trop de bruit

QuickTime™ et undécompresseur codec YUV420sont requis pour visionner cette image.

Page 17: Bulles : son et lumière

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

Page 18: Bulles : son et lumière

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.

Page 19: Bulles : son et lumière

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)

Page 20: Bulles : son et lumière

cavitationcavitation acoustique acoustique

QuickTime™ et undécompresseur sont requis pour visionner cette image.éthanolcaméra rapide

Page 21: Bulles : son et lumière

les crevettes émettent de la lumière !les crevettes émettent de la lumière !

QuickTime™ et undécompresseur sont requis pour visionner cette image.

Page 22: Bulles : son et lumière

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 !)

Page 23: Bulles : son et lumière

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