Bulles : son et lumire

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Bulles son et lumière
Sébastien BALIBAR et Frédéric CAUPIN Laboratoire
de Physique Statistique de lEcole 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
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lorsque l'eau bout ...
cuisine
casserole
feu
la matière (l'eau) change d'état état liquide -gt
état gazeux
des bulles apparaissent sur les parois
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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
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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)
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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
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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 - 41C à pression atmosphérique
surchauffe à 280C à pression atmosphérique
métastabilité en dépression hélices, cavitation
acoustique
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tension de surface
Pourquoi ces retards au changement vers un état
plus stable? exemple liquide -gt 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
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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
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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 V 2 ( 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

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3 expériences simples

• souffler entre deux feuilles
• la vitesse de l'air est plus grande,
• donc la pression plus faible entre les deux
  feuilles
• -gt elles s'attirent

- souffler au bord d'un tube

• souffler à travers un trou
• aspirer une plaque

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météorologie tornades
la tornade est une grosse structure
tourbillonnaire grande dépression en son coeur
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cyclones et anticyclones
dépression au coeur des grandes structures
cycloniques
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hélices P -1 bar
au coeur des tourbillons, la pression est
négative, de l'ordre de - 1 bar
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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
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les crevettes du golfe du Mexique ...
Michel Versluis Anna von der Heydt Detlef
Lohse Dept Physique Twente Pays Bas Barbara
Schmitz Dept zoologie Munich
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... font trop de bruit
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l'eau à pression négative M. BerthelotAnnales
de Chimie et de Physique 30, 232 (1850)
tube scellé, plein d'eau à 28 Crefroidissement
à 18C gt P - 50 bar
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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.
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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
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cavitation acoustique
éthanol caméra rapide
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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 !)
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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