Reflets de la Physique n°61 mar/avr/mai 2019
Reflets de la Physique n°61 mar/avr/mai 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°61 de mar/avr/mai 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 56

  • Taille du fichier PDF : 3,8 Mo

  • Dans ce numéro : dossier sur l'amplification d'impulsions laser par dérive de fréquence.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
< Pages précédentes
Pages : 32 - 33  |  Aller à la page   OK
Pages suivantes >
32 33
Le débouchage d’une bouteille de champagne permet de revisiter la physique des changements de phase qui accompagnent la détente adiabatique du volume de gaz sous pression dans le col de la bouteille. On s’intéresse ici aux phénomènes de condensation qui apparaissent dans le sillage du bouchon qui saute, en fonction de la température de ladite bouteille. Pour les bouteilles stockées à 20 °C, un panache bleu azur apparait dans le col de la bouteille et dans le sillage du bouchon qui saute. Il s’évanouit au bout de quelques millisecondes. On montre que ce panache bleu est la signature de la transformation en cristaux de neige carbonique et par nucléation hétérogène, de la vapeur de dioxyde de carbone présente dans le col de la bouteille. 32 Reflets de la Physique n°61 Hétéro-nucléation de cristaux de neige carbonique au débouchage d’une bouteille de champagne Gérard Liger-Belair (gerard.liger-belair@univ-reims.fr) et Daniel Cordier Équipe Effervescence, Champagne et Applications Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique (UMR CNRS 7331), Université de Reims Champagne-Ardenne, 51687 Reims En moyenne, ce sont près de dix bouchons de champagne qui sautent chaque seconde à l’échelle du globe ! Et ce chiffre explose le jour de la Saint-Sylvestre. Le phénomène de condensation qui accompagne le débouchage d’une bouteille de champagne froide a déjà été décrit dans la littérature scientifique [1-3]. Nous avons néanmoins souhaité le revisiter à l’aide d’une caméra rapide, afin d’examiner en détail le rôle de la température du champagne. Pour ce faire, nous disposions de trente bouteilles de champagne rosé. 48 heures avant de réaliser nos observations, trois lots de dix bouteilles furent stockés respectivement à 6, 12 et 20 °C. La figure 1 illustre les phénomènes de condensation qui surviennent au voisinage du bouchon qui saute, en fonction de la température de la bouteille. Au moment du débouchage, la détente du volume de dioxyde de carbone gazeux, initialement sous pression dans le col de la bouteille, s’accompagne d’une chute de sa température. Le nuage de gaz qui se détend refroidit l’air ambiant et la vapeur d’eau qu’il contient. En se refroidissant, la vapeur d’eau se condense sous la forme d’un brouillard de minuscules gouttelettes. C’est la diffusion de la lumière ambiante par ces gouttelettes – de façon quasi isotrope dans l’espace et pour toutes les longueurs d’onde du spectre visible – qui confère au panache de condensation une teinte blanchâtre. Ce mode de diffusion de la lumière, lorsque la taille des objets qui diffusent est comparable ou supérieure aux longueurs d’onde de la lumière ambiante, correspond au régime de Mie. Cette description est bien conforme à ce que l’on peut observer lors du débouchage des bouteilles stockées à 6 et à 12 °C (figs 1a et 1b). Cependant, dans le cas de la bouteille stockée à température ambiante, pourquoi le nuage de condensation apparait-il directement dans le goulot de la bouteille et pourquoi est-il bleu azur et non pas blanc (fig. 1c) ? La clé de l’énigme se trouve dans la relation qui existe entre la température des gaz qui se détendent au moment du débouchage et la température initiale de la bouteille. La pression dans une bouteille augmente avec sa température Suite à une seconde fermentation alcoolique en bouteille close (la prise de mousse), les vins de Champagne se chargent en dioxyde de carbone (CO 2). En effet, tout comme l’éthanol, le CO 2 est un sousproduit de la transformation des sucres par les levures. Conformément à la loi de Henry, la concentration c L de CO 2 dissous dans le vin est proportionnelle à la pression partielle P B de CO 2 dans le col de bouteille  : c L = k H P B (1), où k H est la constante de Henry du CO 2 dans le vin. Dans une solution aqueuse composée à près de 87% d’eau en volume, comme le champagne, le CO 2 est très soluble. La constante de Henry du CO 2 y est d’environ 1,5 g/l/bar à 20 °C, alors qu’elle n’est que de l’ordre de 20 mg/l/bar pour l’oxygène, par exemple. Or, la dépendance exponentielle en température de la constante de Henry d’un gaz en solution aqueuse induit une très forte sensibilité de sa solubilité avec la température (plus la
solution est froide et plus le gaz y est soluble). La pression partielle du gaz carbonique dans la bouteille sera donc en retour inévitablement très sensible à la température de ladite bouteille. Par application de la loi de Henry et de celle des gaz parfaits, on peut calculer la pression de gaz carbonique qui règne dans une bouteille en fonction de sa température T. En tenant compte de l’étape qui consiste à retirer le dépôt de levures mortes de la bouteille sous l’effet de la pression après la prise de mousse, puis à reboucher immédiatement ladite bouteille avec un bouchon en liège, la pression de gaz carbonique qui règne dans une bouteille de champagne prête à être dégustée s’exprime comme suit [4]  : P B ≈ n T k H (RT) 2 V L/(V G + k H RTV L) 2 (2), où n T est le nombre de moles de CO 2 piégées dans la bouteille en fin de fermentation, V L est le volume de champagne, V G est le volume du ciel gazeux dans le col de bouteille et R est la constante des gaz parfaits. Il existe, bien entendu, d’autres espèces gazeuses que le CO 2 en équilibre thermodynamique dans une bouteille de champagne (comme le diazote, l’eau ou l’éthanol). Cependant, compte tenu de la très grande quantité de CO 2 produite lors de la seconde fermentation (9 grammes par bouteille, soit l’équivalent de cinq litres de gaz carbonique sous une pression de un bar et à 20 °C), la pression partielle des autres espèces gazeuses en présence est négligeable comparée à celle du CO 2. Nous reviendrons néanmoins sur le cas particulier de l’eau, qui va s’avérer jouer un rôle majeur lors du débouchage. a b c Gros plan sur la détente adiabatique Lorsque le bouchon saute, le volume de gaz sous pression dans le col de la bouteille se détend suffisamment brutalement pour qu’il n’y ait pas d’échange de chaleur. Sa Avancées de la recherche ! FI 1. Observation, à l’aide d’une caméra rapide (Phantom Flex – Vision Research, USA), du nuage de condensation qui accompagne le débouchage de trois bouteilles stockées respectivement à 6°C (a), 12 °C (b), et 20 °C (c). L’intervalle de temps entre deux images successives est de 400 µs. température chute alors de façon concomitante pour atteindre une température T f dictée par la relation ci-dessous  : (3), où T est la température initiale qui règne Reflets de la Physique n°61 33



Autres parutions de ce magazine  voir tous les numéros


Liens vers cette page
Couverture seule :


Couverture avec texte parution au-dessus :


Couverture avec texte parution en dessous :


Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 1Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 2-3Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 4-5Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 6-7Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 8-9Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 10-11Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 12-13Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 14-15Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 16-17Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 18-19Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 20-21Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 22-23Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 24-25Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 26-27Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 28-29Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 30-31Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 32-33Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 34-35Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 36-37Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 38-39Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 40-41Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 42-43Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 44-45Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 46-47Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 48-49Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 50-51Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 52-53Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 54-55Reflets de la Physique numéro 61 mar/avr/mai 2019 Page 56