Bulles : son et lumière

1. 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 Espace des Sciences de Paris, ESPCI, 15 sept. 03

2. lorsque l'eau bout ... cuisine casserole feu la matière (l'eau) change d'état: état liquide -> état gazeux des bulles apparaissent sur les parois

3. Champagne ! 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

4. 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)

5. diagramme de phases fusion cristallisation liquide pression P cristal (solide) ébullition gaz cavitation 0 température T 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

6. 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 - 41°C à pression atmosphérique surchauffe à + 280°C à pression atmosphérique métastabilité en dépression : hélices, cavitation acoustique

7. gaz liquide 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) 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

8. photo: DGA, bassin des carènes r 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 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

9. 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 V2 ( 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

10. 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 au bord d'un tube • souffler à travers un trou : • aspirer une plaque

11. météorologie: tornades la tornade est une grosse structure tourbillonnaire grande dépression en son coeur

12. cyclones et anticyclones dépression au coeur des grandes structures cycloniques

13. photo: DGA, bassin des carènes hélices : P = -1 bar au coeur des tourbillons, la pression est négative, de l'ordre de - 1 bar

14. piston liquide P > 0 liquide P < 0 piston 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

15. les crevettes du golfe du Mexique ... Michel Versluis Anna von der Heydt Detlef Lohse Dept Physique Twente Pays Bas Barbara Schmitz Dept zoologie Munich

16. ... font trop de bruit

17. l'eau à pression négative : M. BerthelotAnnales de Chimie et de Physique 30, 232 (1850) tube scellé, plein d'eau à 28 °Crefroidissement à 18°C => P ~ - 50 bar

18. 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.

19. émetteur d'ultrasons (1 MHz) 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

20. cavitation acoustique éthanol caméra rapide

21. les crevettes émettent de la lumière !

22. 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 !)

23. 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