[FAQ] fr.sci.physique - partie 2/3
Marc Bristiel <lgmdmdlsr@ifrance.com>
Archive-Name: fr/sci/physique.2
----------------------------------------------------------------------
La FAQ de fr.sci.physique
v 1.4 du 01/07/2006
URL de la version HTML:
http://mbristiel.dyndns.org/~fsp-faq/index.htm
Deuxième partie
----------------------------------------------------------------------
Ce document est divisé en trois parties, chacune étant postée
séparément.
Cette version Usenet est conçue pour être visionnée avec une police
à chasse fixe; le nombre de caractères par ligne est au maximum 70.
Depuis la dernière version postée sur Usenet (v 1.3.2 du 17/05/2003 )
= Correction d'une coquille dans une formule de I-5-3 (th0003)
= Changement des liens (migration de domaine)
= Redécoupage en 3 parties
------------------------------
SOMMAIRE
------------------------------
-------------------------------------------première partie
Introduction
0-1 A propos des Conseils d'Utilisation de fr.sci.physique
0-2 Mode d'emploi de la FAQ
0-3 Avis au contributeurs de la FAQ
I - Physique générale
I-1 Mécanique newtonienne
I-1-1 La mécanique newtonienne: qu'est-ce que c'est ? mn0001
I-1-2 La masse en mécanique newtonienne mn0002
I-1-3 Balle de tennis, boule de pétanque et chute
dans l'air mn0003
I-1-4 Les marées mn0004
I-1-5 Le pendule de Foucault mn0005
I-2 Mécanique des fluides
I-2-1 Vidange de baignoire, tourbillon et Coriolis mf0001
I-3 Les ondes
I-3-1 L'effet Doppler: qu'est-ce que c'est ? on0001
I-4 Optique
I-4-1 Le bleu du ciel: pourquoi bleu, au juste ? op0001
----------------------------deuxième partie
I-5 Thermodynamique
I-5-1 Pourquoi l'eau se transforme-t-elle en vapeur
à 20°C ? th0001
I-5-2 Air humide, brouillard et buée th0002
I-5-3 Ebullition ou évaporation : quelle différence ? th0003
I-5-4 Tension superficielle : gouttes, capillarité,
bulles et surfusion th0004
---------------------------troisième partie
II - Physique du XXe siècle
II-1 Relativité restreinte
II-1-1 Est-ce que la vitesse de la lumière
est constante ? rr0005
II-1-2 Est-ce que la vitesse de la lumière dépend de la
vitesse de sa source ? rr0006
II-1-3 La masse en relativité rr0000
II-1-4 Homogénéité des relations en relativité et
en physique quantique rr0007
II-1-5 "E = mc^2 " : est-ce toujours vrai ? rr0002
II-1-6 "E = mc^2 " et les photons rr0003
II-1-7 Le problème de la masse du photon rr0001
II-1-8 Le problème du "référentiel du photon" rr0004
II-2 Relativité générale
II-2-1 La relativité générale : qu'est-ce, au juste? rg0001
II-2-2 Pourquoi la lumière est-elle déviée par la
matière ? rg0002
II-3 Physique quantique
II-3-1 Petit historique de la physique quantique mq0001
II-3-2 Les inégalités d'Heisenberg mq0002
--------------------------------------------fin
**********************
I - Physique générale (suite)
**********************
----------------------------------------------------------------------
I-5 Thermodynamique
----------------------------------------------------------------------
--------------------------------------------------------------
I-5-1 Pourquoi l'eau se transforme-t-elle en vapeur à 20°C ?
--------------------------------------------------------------
Ref. th0001
Niveau: élémentaire
Date: 31/08/2001
Auteur: lgmdmdlsr.
I - De quoi parle-t-on ?
------------------------
On entend partout dire que l'eau se transforme en vapeur à 100°C, sous
la pression atmosphérique normale (1 bar). On sait qu'alors l'eau
passe de l'état liquide à l'état vapeur. Mais pourquoi alors l'eau se
transforme aussi à température ambiante (par exemple,un verre mouillé
sèche, alors qu'on ne le chauffe pas à 100°C ?).
Si on connaît le diagramme d'état du corps pur[1], on constate que
l'état stable de l'eau à 20°C et sous une pression de 1 bar, est
l'état liquide, donc ... il ne devrait point se former de vapeur d'eau
à cette température. Or le verre sèche... Où est le problème?
II - Que se passe-t-il ?
------------------------
II-1/ Le phénomène d'évaporation
--------------------------------
Pour comprendre ce qui se passe, utilisons un verre contenant de
l'eau, à l'air libre.
On se souvient que l'eau est constituée de molécules qui s'agitent de
plus en plus au fur et à mesure que la température augmente: c'est
l'agitation thermique. Et au cours de cette agitation, certaines
molécules de la surface sont tout simplement éjectées du liquide, et
se retrouvent dans l'air.
Quel est le sort de ces molécules qui ne sont plus dans le liquide? Eh
bien elles voyagent, heurtent les molécules de l'air, et pour la
plupart d'entre elles sont renvoyées vers le liquide. Quelques unes
parviennent aux cours des chocs à se mélanger aux autres molécules de
l'air, et s'éloignent du liquide.
Ce sont ces molécules qui ne sont pas dans le liquide qui constituent
la vapeur d'eau, ici mélangée aux autres constituants de l'air.
On a alors un mélange d'air (mélange de diazote et de dioxygène) et de
vapeur d'eau.
Le processus, lent, se fait donc à toute température (il suffit qu'il
y ait de l'agitation thermique), et à la surface du liquide. On le
nomme "évaporation".
II-2/ L'évaporation et l'énergie
--------------------------------
Le liquide porté à la température T possède de l'énergie thermique,
qui représente l'agitation des molécules du liquide. Quand une
molécule de la surface du liquide est éjectée, elle emporte une partie
de cette énergie. Donc au fur et à mesure que la vapeur se forme, le
liquide perd de l'energie thermique.
Or, vous allez me dire que si l'énergie thermique du liquide diminue,
alors la température du liquide va diminuer. Et vous aurez raison.
Provisoirement. Car le liquide de surface va être aussitôt réchauffé
par le liquide plus en profondeur, qui lui-même est réchauffé par la
table, ..., et comme l'évaporation est lente, la baisse de température
de surface est infime.
Néanmoins, il est vrai que s'il y a peu d'eau, le refroidissement peut
devenir perceptible. C'est le cas quand on a une mince couche d'eau
sur la peau, et qu'on active l'évaporation par courant d'air (voir
plus bas).
II-3/ Le liquide s'évapore-t-il toujours en totalité ?
------------------------------------------------------
Si le verre est dans l'atmosphère, supposée de volume infini, la
vapeur d'eau de l'air se dilue à l'infini. Du coup le liquide, qui
continue de l'évaporer, disparaît complètement.
Par contre si l'air a un volume fini alors au fur et à mesure que le
liquide se transforme en vapeur l'air s'enrichit petit-à-petit en
vapeur d'eau.
Mais si on a des molécules d'eau dans l'air, alors celles qui sont au
voisinage de la surface du liquide peuvent y retourner. Et plus il y
en a, plus le nombre de molécules d'eau rejoignant le liquide va
augmenter.
Si on a assez de liquide, la proportion de vapeur d'eau dans l'air
atteint une certaine valeur, et il y a autant de molécules d'eau
retournent au liquide que de molécules d'eau qui quittent le liquide:
la quantité de liquide ne diminue plus. On dit que l'air est saturé en
vapeur d'eau.
L'article "Air humide, brouillard et buée" étudie cette situation.
II-4/ Evaporation et température
--------------------------------
Si on augmente la température on augmente l'agitation thermique, donc
on augmente le nombre de molécules EJECTEES du liquide. De plus on
augmente la vitesse de la diffusion. Il est donc évident que
l'évaporation est plus rapide à plus haute température.
II-5/ Evaporation et courants d'air
-----------------------------------
La diffusion étant lente, il se forme au dessus du liquide une
succession de couches d'air où la proportion de vapeur d'eau diminue
au fur et à mesure qu'on s'éloigne de la surface du liquide.
Ceci est un obstacle à l'évaporation, car évidemment plus une molécule
de vapeur d'eau est proche du liquide, plus elle a de chances d'y
retourner!
On peut augmenter la vitesse d'évaporation en faisant circuler l'air
(le vent, par exemple). En effet les molécules d'eau qui se retrouvent
dans l'air sont rapidement éloignées du liquide, et de ce fait les
couches d'air humide ne se forment pas, diminuant la probabilité de
retour au liquide.
II-6/ Et le diagramme du corps pur, alors?
------------------------------------------
Le diagramme du corps pur indique que sous une pression de 1 bar, et à
20°C, l'état stable de l'eau est l'état liquide. Mais le diagramme du
corps pur décrit un système FERME, constitué d'un corps pur en vase
clos, sans possibilité d'échanges de matière avec l'extérieur. L'eau
du verre est en contact avec l'atmosphère, et ne constitue pas un
système fermé.
II - Pourquoi ...
-----------------
III-1/ ... on n'a pas besoin de chauffer l'eau pour qu'elle se
transforme en vapeur (cf. le séchage du linge sur un
séchoir en appartement)?
---------------------------------------------------------------------
Eh bien, justement parce que l'eau s'évapore A TOUTE température.
III-2/ ... si on chauffe de l'eau, même modérément, elle devient
vapeur plus rapidement (séchage du linge au soleil)?
----------------------------------------------------------------------
Si on chauffe de l'eau, on augmente la quantité de vapeur d'eau formée
par évaporation; par conséquent la quantité d'eau liquide diminue plus
rapidement.
III-3/ ... si on expose l'eau au vent, elle devient vapeur plus
rapidement (séchage du linge par temps de vent)?
----------------------------------------------------------------------
Le vent permet de déplacer l'air, et avec la vapeur d'eau formée au
voisinage de la surface de l'eau. Or on a vu que plus il y a de vapeur
d'eau près du liquide et moins il s'en forme. Donc retirer la vapeur
d'eau au fur et à mesure qu'elle se forme permet d'augmenter la
vitesse d'évaporation.
NOTES
[1] Si vous ne connaissez pas le diagramme d'état du corps pur, ça
n'est pas grave, vous n'en avez pas besoin. Sautez directement au
paragraphe suivant. Toutefois, pour une introduction au diagramme
d'état du corps pur, voir n'importe quel livre de chimie physique
de niveau premier cycle universitaire, comme:
* Paul Arnaud, "Cours de chimie physique", Dunod,
chapitre "diagramme d'état des corps purs"
* Mc Quarrie/Rock, "Chimie générale", De Boeck
chapitre "liquides et solides"
-----fin de l 'article-----
--------------------------------------
I-5-2 Air humide, brouillard et buée
--------------------------------------
Ref. th0002
Niveau: élémentaire
Date: 31/08/2001
Auteur: lgmdmdlsr.
I - De quoi parle-t-on ?
------------------------
On va expliquer ce qu'est l'air humide, et la différence entre
celui-ci et le brouillard.
II - Que se passe-t-il ?
------------------------
II-1/ Evaporation, condensation et équilibre
--------------------------------------------
On prend une casserole entièrement remplie d'eau, et fermée par un
couvercle étanche. On se place dans une pièce fermée, contenant de
l'air (qui est un mélange de gaz, composé en majorité de diazote, de
dioxygène et d'argon).
Sous l'effet de l'agitation thermique, l'eau commence à s'évaporer[1].
Comme le volume de la pièce n'est pas infini, l'air commence à
s'enrichir en vapeur d'eau, de plus en plus (bien entendu comme c'est
la diffusion qui sert à enrichir l'air en vapeur d'eau c'est d'abord
l'air au voisinage du liquide qui s'enrichit en vapeur d'eau).
Si on a assez de liquide, que se passe-t-il?
Les molécules d'eau contenues dans l'air deviennent de plus en plus
nombreuses; ces molécules d'eau vont cogner sur tous les objets de la
pièce; et peuvent provisoirement s'y fixer. Mais ces objets eux-mêmes
vibrent sous l'effet de l'agitation thermique, et expulsent bienôt ces
molécules...
Sauf s'il y a trop de molécules d'eau, et qu'un grand nombre d'entre
elles arrivent au même endroit dans un très court instant; alors ces
molécules s'aglutinent et forment une goutte de liquide. C'est le
phénomène de condensation.
Ces gouttes de liquide sont elle-mêmes soumises à l'évaporation; mais
l'air contient toujours beaucoup de vapeur d'eau, donc de molécules
d'eau qui vont aller s'incorporer à la goutte.
Il y a compétition entre l'évaporation et la condensation au niveau de
la goutte, et la situation va finalement évoluer jusqu'à ce qu'il y
ait autant de molécules d'eau quittant le liquide que de molécules
rejoignant le liquide (ce ne sont pas les mêmes!) par seconde.
Le nombre de molécules du gaz (et donc celui du liquide) est alors
constant.
On dit alors que le système est à l'équilibre.
Bien entendu, s'il n'y a pas assez de liquide, ce dernier se vaporise
totalement, et on a dans la pièce de l'air humide, sans aucun liquide.
II-2/ La sursaturation
----------------------
On a vu que s'il y a trop d'eau dans un volume donné d'air, il y a
formation de liquide. Sauf que...
... pour qu'il y ait condensation il faut qu'il y ait des objets
possédant des aspérités, comme un objet rugueux ou les poussières en
suspension dans l'air, pour que puissent se former les microbulles de
liquide. En l'absence de ce "germe" , les gouttes ne se formant pas,
il ne peut y avoir condensation.
Toutefois, au moindre germe introduit dans un tel air des microbulles
de liquide vont se former, grossir et former du liquide. A partir de
là la condensation va se produire et on va se retrouver à l'équilibre.
L'état dans lequel l'air se trouve si la concentration en eau dépasse
la valeur limite sans qu'il y ait condensation est appelé "air
sursaturé". On reparlera plus loin de cette situation.
II-3/ L'évolution de l'équilibre avec la température
----------------------------------------------------
On se souvient que plus la température est grande, plus les molécules
sont agitées. Donc les molécules d'eau de la surface se recoivent plus
de chocs, et ont plus tendance à être éjectées. Du coup, on se
retrouve avec plus de molécules dans l'air.
Donc, plus la température est élevée, plus il y a de molécules d'eau
dans l'air dans un volume donné. On dit que la concentration de vapeur
d'eau augmente avec la température.
II-4/ Concentration et pression partielle
-----------------------------------------
L'air humide est un mélange de gaz, le diazote, le dioxygène, et la
vapeur d'eau; en outre il y règne une certaine pression, appelée
pression totale (ne vous inquiétez pas, je vais expliquer la
signification de "totale"!).
Dans 1 m^3 d'air sec (sans vapeur d'eau) à 2O°C il y a environ 930 g
de diazote et 270 g de dioxygène.
Si on prend 1m^3 d'air, et qu'on en retire le dioxygène (ainsi que les
constituants minoritaires), il ne reste que le diazote. Si on offre à
ce diazote (930 g) le volume précédemment occupé par l'air (1 m^3) il
va y régner une certaine pression, appelée pression partielle en
diazote.
Pourquoi "partielle"? C'est en référence de l'air duquel est issu le
diazote.
On peut aussi définir la pression partielle en dioxygène (pression
dans un échantillon d'air auquel on a retiré tous les constituants
SAUF le dioxygène).
La pression TOTALE de l'air est la somme des pressions partielles de
chacun des constituants.
Et évidemment, si l'air contient de la vapeur d'eau, on peut définir
la pression partielle en vapeur d'eau (pression dans un échantillon
d'air auquel on a retiré tous les constituants SAUF la vapeur d'eau).
II-5/ La pression de vapeur saturante
-------------------------------------
Le nombre de molécules par unité de volume d'un gaz est lié à la
pression qui règne dans ce gaz. Plus il y a de molécules, plus la
pression est élevée.
Il en est de même pour les pressions partielles.
A un nombre de molécules (par unité de volume) donné on peut donc
associer une certaine pression (partielle dans le cas des mélanges).
Maintenant revenons à la situation où coexistent l'air chargé en
vapeur d'eau et les gouttelettes de liquide. On a vu que cette
situation correspondait à une concentration en vapeur d'eau
déterminée.
Il y correspond donc une pression partielle bien définie.
Cette pression partielle est appelée "pression de vapeur saturante (de
l'eau)".
Dans la suite de l'exposé on utilisera la notation P_sat pour désigner
la pression de vapeur saturante.
II-6/ Que se passe-t-il si ...
---------------------------------
A/ On diminue la concentration en vapeur d'eau
----------------------------------------------
On désire diminuer la concentration en vapeur d'eau, par exemple en
augmentant le volume total de la pièce[2].
Augmentons un peu le volume. On a tendance alors à diminuer la
concentration en vapeur d'eau de l'air, donc on tend à diminuer la
pression partielle en vapeur d'eau, qui devient alors inférieure à
P_sat.
Microscopiquement, cela se traduit par une diminution du nombre de
molécules qui REJOIGNENT les gouttes d'eau; mais le nombre de
molécules qui QUITTENT les gouttes d'eau, lui, ne varie pas (il ne
dépend que de la température).
D'où une la quantité de liquide diminue, jusqu'à ce que le nombre de
molécules qui rejoint le liquide soit égal au nombre de molécules qui
le quittent, ce qui revient à dire qu'on est revenu à la situation
initiale, la concentration de vapeur d'eau est revenue à sa valeur de
départ, et que la pression partielle en vapeur d'eau est revenue à sa
valeur de départ, la pression de vapeur saturante.
Cette dernière dépend donc du nombre de molécules qui QUITTENT les
gouttes de liquide, donc de la température.
NB: Toutefois si on continue d'augmenter le volume de la pièce le
liquide va finir par disparaître complètement.
B/ On veut augmenter la concentration en vapeur d'eau
-----------------------------------------------------
On tente d'augmenter la concentration en vapeur d'eau de la pièce,
en injectant de la vapeur d'eau (sans changer la pression totale) [3].
Mais si on tend à augmenter la concentration en vapeur d'eau, cela va
augmenter le nombre de molécules qui rejoignent les gouttes de
liquide. Comme on n'augmente pas le nombre de molécules qui quittent
les gouttes, ces dernières vont grossir. Jusqu'à ce que la condition
d'égalité des départs et arrivées de molécules sur les gouttes soit
respectée à nouveau.
Donc la pression partielle en eau reste égale à la pression de vapeur
saturante.
C/ On supprime l'air
--------------------
(Pourquoi pas...)
Qu'est-ce qui change dans les raisonnements si on supprime l'air? Pas
grand chose, à vrai dire. La pression partielle en vapeur d'eau
devient... la pression.
On ne change pas le nombre de molécules qui quittent le liquide, donc
in fine on ne change pas la pression de vapeur saturante.
Même chose si au lieu de supprimer tout l'air, on n'en supprime qu'une
partie (ce qui revient à diminuer la pression atmosphérique).
Conclusion: la pression de vapeur saturante ne dépend pas de la
pression atmosphérique, mais uniquement de la température.
D/ On augmente la température
-----------------------------
Si on augmente la température, on augmente le nombre de molécules qui
quittent le liquide, donc on va augmenter la concentration en vapeur
d'eau de l'air[4], donc on augmente aussi la pression de vapeur
saturante.
III : Humidité et saturation de l'air
-------------------------------------
III-1/ Le taux d'humidité de l'air
----------------------------------
On a vu que l'air, mélange de gaz, peut en particulier contenir de la
vapeur d'eau. La proportion de vapeur d'eau dans l'air est exprimée
par le taux d'humidité (ou d'hygrométrie), qui a deux définitions:
*Taux absolu d'humidité:
masse de vapeur d'eau contenue dans un volume d'air donné
T = -----------------------------------------------------------
le volume d'air en question
Il s'exprime alors en g/m^3.
*Taux relatif d'humidité:
pression partielle en vapeur d'eau
T = ------------------------------------
pression de vapeur saturante
Il es'exprime alors en %.
Ces deux définitions sont évidemment liées par la relation entre la
concentration massique et la pression partielle.
III-2/ La saturation de l'air
-----------------------------
Comme la pression partielle ne peut dépasser la pression de vapeur
saturante, le taux d'humidité ne peut dépasser 100% (sauf dans le cas
de la sursaturation, traité au paragraphe II-2 ainsi qu'au paragraphe
suivant).
Quand le taux d'humidité atteint 100% la formation de gouttelettes de
liquide se produit sur les objets et les poussières de l'air.
La concentration en vapeur d'eau a atteint sa valeur maximale et ne
peut augmenter (si on essaie de l'augmenter on produit plus de
liquide).
La pression partielle en vapeur d'eau est égale à la pression de
vapeur saturante P_sat.
La teneur maximale en vapeur d'eau dépend de P_sat, donc de la
température.
/-------------------------------------------------\
| température en °C | teneur max. en vapeur d'eau |
| | (en g. m^-3) |
|-------------------|-----------------------------|
| 10 | 09 |
|-------------------|-----------------------------|
| 20 | 17 |
|-------------------|-----------------------------|
| 30 | 30 |
\-------------------|-----------------------------/
III-3/ Sursaturation
--------------------
On se souvient que pour que se forment les gouttes de liquide il faut
un support (par exemple un objet ou une poussière), et qu'en l'absence
de ce "germe" on peut en fait dépasser la pression de vapeur
saturante. L'air est alors "sursaturé".
Il s'agit d'un état dit "métastable", car à la moindre impureté il va
se former brutalement une goutte de liquide, et alors tout le système
va réagir de façon à obtenir la pression partielle de l'eau égale à la
pression de vapeur saturante.
IV - Comment ...
-----------------
IV-1/ ... la buée se forme
--------------------------
La buée se forme quand de l'air chaud et humide entre en contact avec
un objet froid. Que se passe-t-il alors?
L'air humide a un taux relatif d'humidité assez élevé, et est refroidi
par l'objet. En refroidissant on diminue la pression de vapeur
saturante, donc on augmente le taux relatif d'humidité. Si jamais la
pression de vapeur saturante devient égale à la pression partielle en
vapeur d'eau alors des minuscules gouttelettes d'eau se forment sur
l'objet: c'est la buée.
IV-2/ ... la rosée se forme
---------------------------
La rosée se forme comme la buée. Le sol se refroidit pendant la nuit
par rayonnement, l'air moins. Au contact du sol froid la vapeur d'eau
de l'air se condense, en rosée.
IV-3/ ... le brouillard se forme
--------------------------------
Si un faible vent (vitesse inférieure à 3 m.s-1) souffle, l'air entre
en contact avec le sol froid, se refroidit puis est remonté par le
vent. Les goutelettes issues de la condensation se retrouvent alors en
suspension dans l'air, formant le brouillard.
---------
NOTES
[1] Pour une explication du phénomène d'évaporation, voir l'article
"Pourquoi l'eau se transforme-t-elle en vapeur à 20°C ?" de la
FAQ.
[2] Attention, il ne suffit pas d'utiliser une simple paroi
coulissante étanche, car dans ce cas on diminuerait la pression
totale; le mieux serait d'imaginer de refaire la même expérience
avec la même quantité de liquide, dans des pièces de plus en plus
grandes, mais dans lesquelles la pression initiale de l'air est la
même dans tous les cas.
On peut aussi utiliser le dispositif suivant:
--------------------------------------------------
| /-\ |
| | | |
| salle de | | salle contenant |
| l'expérience | | de l'air sec |
| | | |
| | | |
| -+- robinet ouvert si on |
| | | bouge la paroi |
| paroi mobile | | |
| (se déplace vers | | |
| la droite) \-/ |
--------------------------------------------------
[3] Pour injecter de la vapeur d'eau dans la pièce sans changer la
pression totale on peut utiliser le dispositif de la note [2] en
mettant, non de l'air sec, mais de la vapeur d'eau dans le
compartiment de droite.
[4] La diffusion étant un phénomène lent il se forme une succession de
couches d'air de plus en plus humide; la couche la plus proche du
liquide va être la première à devenir saturée, puis ce sera le
tour de la suivante, etc. Par conséquent pour avoir une
concentration en vapeur d'eau constante, il faut attendre que la
diffusion ait fini son oeuvre.
On peut accélérer la dissémination de la vapeur d'eau dans l'air
avec un courant d'air, comme pour l'évaporation.
-----fin de l 'article-----
-------------------------------------------------------
I-5-3 Ebullition ou évaporation : quelle différence ?
-------------------------------------------------------
Ref. th0003
Niveau: élémentaire
Date: 31/08/2001
Auteur: lgmdmdlsr.
I - De quoi parle-t-on ?
------------------------
On entend partout dire que l'eau bout à 100°C, sous la pression
atmosphérique normale (1 bar). On sait qu'alors l'eau passe de l'état
liquide à l'état vapeur. Mais l'eau se transforme en vapeur aussi à
des températures inférieures.
Quand l'eau se transforme en vapeur à une température inférieure à
100°C on constate que le changement est lent et ne nécessite pas de
chauffage. Par contre à 100°C et si on chauffe alors il apparaît des
bulles de vapeur d'eau.
On s'intéresse ici à ce dernier phénomène, détailler son mécanisme, et
comparer cette ébullition avec le phénomène d'évaporation [1].
II - Que se passe-t-il ?
------------------------
II-1/ Comment obtenir l'ébullition ?
------------------------------------
Si on chauffe de l'eau[*] dans une casserole, avec un thermomètre pour
mesurer la température de l'eau, on observe l'apparition de petites
bulles. Il s'agit là des gaz dissouts dans l'eau, i.e. de l'air, qui
permet aux poissons d'avoir de l'oxygène.
Si on continue à chauffer, on constate que de la buée se dépose sur le
thermomètre (dont le corps reste plus froid). Cela est dû à
l'évaporation de l'eau[1] dont la vapeur formée se condense sur le
thermomètre plus froid[2].
Si on chauffe jusqu'à 100°C (sous une pression extérieure de 1 bar),
on observe l'apparition de grosses bulles qui viennent crever à la
surface du liquide: ce sont des bulles de vapeur d'eau.
C'est la formation de ces bulles de vapeur d'eau qui constituent le
phénomène d'ébullition.
On peut obtenir également l'ébullition sans chauffer: on peut aussi
abaisser rapidement la pression, par exemple avec une seringue (sans
aiguille) remplie à 1/5 d'eau liquide. Chasser l'air, boucher avec le
doigt, tirer brusquement sur le piston et observer. Faire également la
contre-expérience sans boucher, pour observer la différence...
II-2/ Analyse de l'ébullition
-----------------------------
La casserole remplie d'eau est fermée, puis on laisse refroidir
jusqu'à la température ambiante, et on chauffe (comment ça,
"encore?" ! ).
Le premier chauffage a servi à éliminer l'air et autres gaz dissouts
qui font des bulles parasites.
On a vu que si on augmente la température, le nombre de molécules
éjectées augmente, et la pression de vapeur saturante augmente aussi.
Si on chauffe, cela revient à agiter plus fort les molécules, au point
parfois qu'il se forme fugitivement des microbulles de gaz au contact
des aspérités des parois de la casserole.
Tant que l'air exerce sur le liquide une pression supérieure à P_sat,
le liquide en profondeur reste liquide, et toute bulle de vapeur d'eau
qui aurait l'insolence de se former (par exemple à la suite d'un
chauffage puissant en un point du liquide) est aussitôt écrasée et
transformée en liquide. Seule l'évaporation de surface permet de
transformer de l'eau liquide en vapeur d'eau.
Mais la température augmente, augmente, et P_sat qui augmente aussi
atteint la valeur de la pression de l'air.
Alors une bulle de vapeur d'eau qui se forme n'est plus écrasée; par
contre, moins dense que le liquide environnant, elle remonte à la
surface pour y éclater et libérer dans l'air la vapeur d'eau qu'elle
contient.
Tant qu'on chauffe, des bulles apparaissent là où on chauffe. Dès
qu'on arrête de chauffer, les bulles arrêtent de se former.
C'est cette apparition de bulles de vapeur qu'on appelle l'ébullition.
Cette dernière se produit quand la pression de vapeur saturante
atteint la valeur de la pression atmosphérique, i.e. à une température
donnée (qui dépend de la pression atmosphérique, justement).
II-3 : L'ébullition, la température et la pression
--------------------------------------------------
La température d'ébullition dépend de la valeur de la pression
extérieure (ou pression atmosphérique). Pourquoi? Eh bien parce que
l'ébullition se produit quand la pression de vapeur saturante de l'eau
devient égale à la pression atmosphérique.
Au niveau de la mer la pression atmosphérique vaut 1 bar, et P_sat ne
devient églae à 1 bar qu'à 100°C. Donc l'eau bout à 100°C au bord de
la mer.
En haute montagne la pression est plus faible qu'au niveau de la mer.
Donc on a besoin de moins chauffer pour que la pression de vapeur
saturante devienne égale à la pression extérieure. Par exemple pour
une pression de 0,7 bar (altitude environ 3000 m), la température
d'ébullition vaut 89°C.
Ceci pose un problème pour cuire les aliments. Par exemple, pour faire
cuire un oeuf il faut qu'il soit chauffé pendant 5 minutes à 100°C.
Facile sur la plage, il suffit de le plonger 5 minutes dans l'eau
bouillante. Mais en montagne, l'eau bouillante n'étant qu'à 89°C, on
est quelque peu embêté, car on ne peut monter à 100°C.
/------------------------------------------------\
| pression extérieure | température d'ébullition |
|---------------------|--------------------------|
| 0,04 bar | 26°C |
|---------------------|--------------------------|
| 0,10 bar | 44°C |
|---------------------|--------------------------|
| 0,68 bar | 89°C |
|---------------------|--------------------------|
| 1,00 bar | 100°C |
|---------------------|--------------------------|
| 1,96 bar | 120°C |
\------------------------------------------------/
Comment peut-on retrouver ces valeurs par le calcul? La température
d'ébullition T dépend en fait de la pression extérieure P par la
formule de Clapeyron:
L = T (u_g - u_l) dP/dT
avec L la chaleur latente massique de vaporisation
u_g le volume massique du gaz à (T;P)
u_l le volume massique du liquide à (T;P)
Si on assimile la vapeur à un gaz parfait, de masse molaire M, alors:
u_g = R T/ (P M) (R: constante des gaz parfaits)
Si on néglige le volume massique du liquide devant celui du gaz, le
terme (u_g - u_l) se réduit à u_g, soit RT/PM.
Alors L = T * R T/M dP/dT,
soit dP/P = M L/R * dT/T^2
ou:
ln (P_2/P_1) = M L/R * (1/T_1 - 1/T_2)
Si on connaît un point (P_1; T_1) on peut en déduire tout autre point
(P_2;T_2) avec cette formule.
Pour l'eau:
P_1 = 1E5 Pa
T_1 = 373 K
L = 2,2E6 J.kg^-1
M = 18E-3 kg.mol-1
II-4 : Résumé de la différence évaporation-ébullition
-----------------------------------------------------
/-----------------------------------------------------------------\
| | évaporation | ébullition |
|---------------|----------------------|--------------------------|
| lieu | surface libre(#) | aspérités du récipient |
| | du liquide | contenant le liquide |
|---------------|----------------------|--------------------------|
| vitesse | souvent lente | souvent plus rapide |
|---------------|----------------------|--------------------------|
| spontanéité | a lieu naturellement | a lieu naturellement |
| | si la pression de | si la pression de |
| | l'air est INFERIEURE | l'air est SUPERIEURE |
| | à P_sat | à P_sat |
|---------------|----------------------|--------------------------|
| condition de | peut avoir lieu à | à lieu à une température |
| température | toute température | bien définie, qui dépend |
| | | des conditions de |
| | | pression extérieure |
\---------------|----------------------|--------------------------/
(#) surface de contact entre le liquide et l'air.
NB: il est à noter qu'en vase clos (i.e. enceinte fermée et de volume
fixé), l'ébullition comme l'évaporation conduisent au même état final,
la pression partielle étant égale à P_sat s'il reste du liquide.
C'est notamment ce qui se passe dans un autocuiseur (enfin pas
tout-à-fait, l'autocuiseur ayant une fuite), et dans l'expérience du
bouillant de Franklin, qui est un ballon fermé qu'on porte à 100°C, et
qu'on refroidit par un linge humide ou un petit jet d'eau froide, ce
qui diminue la température de la vapeur à l'intérieur, donc chute de
la pression du gaz, et ébullition du liquide qui est lui toujours à
100°C.
----------
NOTES
[*] Certains individus que je ne nommerai pas proposent d'utiliser du
champagne pour mener les espériences; personnellement le champagne
finit dans mon estomac sans passer par la casserole...
[1] pour l'évaporation, cf. l'article "Pourquoi l'eau se
transforme-t-elle en vapeur à 20°C ?" de cette FAQ.
[2] cf. l'article "Air humide, brouillard et buée" de cette FAQ.
-----fin de l 'article-----
-----------------------------------------------------
I-5-4 Tension superficielle : gouttes, capilarité,
bulles et surfusion
-----------------------------------------------------
Ref. th0004
Niveau: élémentaire
Date: 02/07/2002
Auteur: Christophe Dang Ngoc Chan.
1 -- Présentation
-----------------
Le but de cet article est d'introduire la notion de tension
superficielle. Cette notion joue un rôle important lorsque deux
milieux différents sont au contact sans se mélanger. Elle permet
d'expliquer entre autres la forme des gouttes et des bulles, la
mousse, les problèmes de capilarité et la surfusion.
2 -- Milieux non miscibles
--------------------------
À la base, il y a des phases qui ne se mélangent pas, p. ex. l'huile
et l'eau, ou bien l'air et l'eau [#] ; on dit qu'ils sont «non
miscibles».
Si l'huile et l'eau ne se mélangent pas, c'est qu'une molécule d'huile
est mal à l'aise d'ans l'eau, et une molécule d'eau est mal à l'aise
dans l'huile. Mal à l'aise, ça veut dire que la molécule d'huile a
tendance à être attirée par d'autre molécules d'huile et à être
repoussée par les molécules d'eau, et vice-versa. Ou, pour parler en
termes physiques et chimiques, l'énergie chimique d'une molécule
d'huile est plus grande dans l'eau que dans l'huile, et vice-versa.
[#] - en fait, il y a un peu d'eau dans l'air (humidité) et un peu
d'air dans l'eau (ce qui permet aux poissons de respirer), mais
en quantités très faibles.
3 -- Energie d'interface - tension superficielle
------------------------------------------------
Maintenant, imaginons un petit volume d'huile V en suspension dans
l'eau, par exemple les yeux du bouillon. Les molécules mal à l'aise
sont celles qui se trouvent à l'interface (la surface de contact entre
l'huile et l'eau), donc plus l'interface est grande, plus le système
est mal à l'aise, plus l'énergie chimique est grande.
On peut définir l'énergie d'interface comme étant le surplus d'énergie
chimique par rapport au cas où la gouttelette d'huile se trouverait
dans de l'huile.
Le système va spontanément prendre la configuration d'énergie
minimale, c'est à dire que la goutte va adopter la forme ayant la plus
petite interface possible. Cette forme est une sphère [##].
Si l'on déforme la goutte, en touillant l'eau par exemple, elle va
reprendre sa forme comme s'il s'agissait d'une balle élastique soumise
à une tension (dans le sens "traction") ; de fait, cette énergie
d'interface porte aussi le nom de «tension superficielle».
Si maintenant on "casse" la gouttelette en deux, on va créer de la
surface, deux sphères de volume V/2 ont une aire plus grande qu'une
seule sphère de volume V. Donc si les deux goutelettes se rencontrent,
elles vont avoir tendance à se fusionner pour minimiser la tension
superficielle. Vous pouvez l'observer en poussant l'un contre l'autre
deux yeux du bouillon.
Fig. 1 - Réunion de deux gouttes pour réduire l'énergie d'interface
==> http://mbristiel.dyndns.org/~fsp-faq/corps/ts_1.gif
La notion de tension superficielle est une notion "globale" qui permet
de prédire le comportement. Si l'on regarde ce qui se passe au niveau
des molécules, on peut décrire les phénomènes par les interactions
classiques : interactions électrostatiques, forces de Van der Waals...
## - dans le cas des yeux du bouillon pris en exemple, vous me direz
que c'est un disque plutôt qu'une sphère, et là je vous dis oui,
vous avez raison, mais il y a aussi des gouttelettes qui nagent
sous l'eau. Non mais !
4 - Autre énergie en jeu
------------------------
Considérons maintenant que le poids joue un rôle, et prenons deux
configurations possibles :
* Cas 1 : la goutte d'huile est une sphère ;
* Cas 2 : la goutte d'huile est étalée comme une galette
horizontale (ellipsoïde de révolution).
Dans le cas 2, la surface est plus grande que dans le cas 1, donc
l'énergie d'interface aussi, mais la goutte étant moins haute,
l'énergie potentielle de gravité sera plus faible que dans le cas 1.
L'énergie totale est :
énergie d'interface + énergie potentielle de gravité,
la goutte prendra la forme minimisant l'énergie totale. Si la
diminution d'énergie potentielle de gravité est plus importante que
l'augmentation de la tension superficielle, alors la gouttelette sera
applatie.
5 - Plusieurs types d'interfaces
--------------------------------
Si maintenant la goutte est posée sur une surface solide horizontale
(une table quoi), il faut considérer trois interfaces : gaz/liquide,
gaz/solide et liquide/solide. L'énergie chimique dépend alors des
aires de ces trois interfaces. Il faut ici considérer l'énergie par
unité de surface (la densité surfacique d'énergie).
La goutte peut avoir deux types de forme :
1. si cela nécessite peu d'énergie d'étaler la goutte (la densité
d'énergie de l'interface solide/liquide est faible), on a juste
une calotte posée (une ellispoïde tronquée au-dessus de
l'équateur) ; l'aire de l'interface liquide/solide est grande,
celle de l'interface liquide/gaz petite ; le cas extrême est une
flaque étalée ;
Fig. 2 - Goutte étalée, comme une calotte posée
==> http://mbristiel.dyndns.org/~fsp-faq/corps/ts_2.gif
2. si par contre le liquide est "repoussé" par le solide (la
densité d'énergie de l'interface solide/liquide est grande), on
a une ellispoïde coupée en dessous de l'équateur, l'aire de
l'interface liquide/solide est petite, celle de l'interface
liquide/gaz grande ;
le cas extrême ressemble à une bille de verre posée.
Fig. 3 - Liquide repoussé par le support
==> http://mbristiel.dyndns.org/~fsp-faq/corps/ts_3.gif
La configuration adoptée sera celle qui minimise la somme des énergies
d'interface entre ces trois milieux.
6 - Applications
----------------
a - Capillarité, ménisque
------------------------
Si vous regardez un liquide dans un tube de verre étroit (type tube à
essai), vous verrez que l'interface est bombée vers le bas, l'eau
remonte le long des parois ; la surface forme un ménisque. Ceci peut
aussi se voir de manière moins flagrante sur les bords d'un verre. En
effet, l'énergie d'interface verre/eau étant plus faible que l'énergie
d'interface verre/air, il est plus "intéressant" de diminuer la
surface verre/air au prix d'une augmentation la surface air/eau
lorsque celle-ci se bombe, et d'une augmentation de l'énergie
potentielle de gravité.
Autre façon de voir : le verre "attire" les molécules d'eau (force de
Van der Waals), donc celle-ci montent, elles sont pour le coup plus à
l'aise sur du verre qu'entre elles, et ce malgré le poids qui les tire
vers le bas.
Le phénomène de capilarité peut se décrire par le même principe :
l'eau monte le long des parois dans de petites cavités, par exemple
lorsque vous trempez le bout d'une feuille de papier dans une verre
d'eau, l'eau monte le long des fibres de papier.
b - Produits tensio-actifs, lessive, émulsion, mousse
-----------------------------------------------------
Si l'énergie d'interface entre un solide et l'eau est forte, alors
l'eau ne s'étale pas et reste sous forme de goutelette ; c'est ainsi
que, comme le montre une célèbre publicité de lessive, "les
synthétiques laissent glisser l'eau". On peut alors ajouter un produit
dans l'eau qui diminue l'énergie d'interface ; la goutte s'étale alors
et peut pénétrer dans le tissus. On appelle ces produits des
"tensio-actifs".
Les émulsifiants sont des tensio-actifs : si vous laissez reposer une
vinaigrette, les gouttes d'huile se regroupent (cf. §3) et forment
bientôt une couche d'huile. Si l'on veut garder l'huile sous la forme
de petites gouttelettes, ou émulsion, il faut diminuer la tension
superficielle afin que le gain d'énergie de surface lorsque deux
gouttes se réunissent soit faible. C'est ainsi que les vinaigrettes du
commerce sont sous forme d'émulsion alors que la vôtre faite maison se
sépare en quelques minutes.
Les tensio-actifs permettent aussi de stabiliser les bulles. Si vous
soufflez dans un verre d'eau avec une paille, la bulle, lorsqu'elle
atteint la surface, crève. Si maintenant vous mettez du sirop dans
l'eau, lorsqu'elle atteint la surface, la bulle reste. L'augmentation
de surface due à la présence de la bulle ne provoque pas une grande
augmentation d'énergie car le tension superficielle est faible. Donc
la bulle est stable. Si vous avez bien suivi, les lessives contenant
des tensio-actif, elles forment des bulles facilement, d'où la mousse.
c - Surfusion
-------------
Lorsque l'on réchauffe de la glace à pression atmosphérique, celle-ci
fond à 0 °C. Mais lorsque l'on refroidit de l'eau, celle-ci gèle
en-dessous de 0 °C. En effet, lorsque l'on forme le premier petit
cristal de glace, on crée une interface solide/liquide, donc de
l'énergie d'interface. Or, plus on descend en température, plus
l'énergie d'interface (eau liquide)/(glace) est faible. Ainsi, il est
plus facile de créer un premier cristal de glace lorsque la
température est plus basse que 0 °C.
On peut voir aussi cela de la manière suivante : si un petit cristal
se forme, il est dissout par l'agitation de l'eau. Plus il fait froid,
plus l'eau est calme, donc plus il sera facile de former un cristal.
Lorsque l'on introduit un défaut - poussière, aspérité... - ceci
permet également d'amorcer la cristallisation plus facilement, et
d'annuler l'«effet retardant» de la tension superficielle. Cet effet
est à l'origine d'une anecdote célèbre, rapportée par exemple par
Hubert Reeves (L'heure de s'enivrer, 1986, éd. du Seuil) :
«Malaparte [###] raconte la mort dramatique d'un millier de chevaux
russes dans les glaces du lac Ladoga, pendant l'hiver 1942. Pour
échapper à un feu de forêt provoqué par les bombardements aériens,
les chevaux se précipitent dans le lac. Malgré la vague de froid
récemment arrivée, l'eau est encore liquide. Pendant que les chevaux,
la tête tendue hors de l'eau, nagent vers l'autre rive, il se fait un
grand bruit. L'eau gèle subitement, enfermant les bêtes dans une
gangue de glace.
Le lendemain, le soleil illumine les crinières rigides, couvertes de
glaçons transparents. Immobilisée, chaque tête est une sculpture, dont
en d'autres circonstances, on eut admiré la beauté.» (Merci à Olivier
"Rue des Prairies" et à Michel Talon pour cette anecdote).
Pour aller un peu plus loin : en dessous de 0 °C, la transformation
liquide->solide s'accompagne d'une diminution de l'énergie du système.
Cette diminution est proportionnelle à la masse transformée, donc au
volume de glace formé. Pour que la transformation se fasse, il faut
que l'énergie gagnée soit plus importante que l'énergie nécessaire
pour créer l'interface liquide/solide.
Dans le cas d'un petit cristal, il a une faible masse, donc sa
formation libère peu d'énergie volumique par rapport à l'énergie de
surface nécessaire. Comme il est impossible de créer immédiatement un
gros cristal, la solidification ne peut pas se faire. Donc la
température continue à descendre en dessous de 0 et l'eau reste
toujours liquide. L'arrivée d'un crin de cheval ou d'une poussière
change localement la tension superficielle et permet de former un gros
cristal autour de cette impureté. Ce gros cristal peut ensuite
croître, c'est l'amorce de la solidification. S'il n'y a pas
d'impureté, il faudra attendre que le bilan énergétique soit favorable
pour que la solidification commence.
Ce faisant, comme la solidification libère de l'énergie, cela fait
remonter la température à 0 °C, la solidification va se continuer à
cette température.
La modification locale de la tension superficielle permet également
d'expliquer :
* pourquoi les bulles de champagne montent toujours du même
endroit du verre : le verre présente à cet endroit une aspérité
qui diminue l'énergie d'interface gaz/liquide, et permet plus
facilement à une bulle de se former ;
* pourquoi en travaux pratiques de chimie organique, le fait de
gratter le fond du bêcher (ou ballon, ou erlenmeyer, selon les
goûts de chacun) facilite la cristallisation : on crée des
aspérités qui facilitent la formation du premier cristal.
### - Curzio Malaparte (1898-1957), écrivain italien, auteur de Kaputt
en 1944
7 - Lien
--------
Donné par notre ami Gilgamesh, le site de Jean-Pierre Petit sur la
forme de la bulle de savon :
http://www.jp-petit.com/science/maths_f/calcul_variationnel/coincer_bu
lle/coincer_bulle.htm
-----fin de l 'article-----
(Fin de la deuxième partie)
Traduit en HTML par faq2html.pl le Wed Nov 3 05:42:13 2010 pour le site Web Usenet-FR.
