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 : 34 - 35  |  Aller à la page   OK
Pages suivantes >
34 35
dans la bouteille, P 0 est la pression ambiante (de l’ordre de 10 5 Pa, soit 1 bar), P B est la pression du gaz qui règne dans la bouteille bouchée, et g est l’indice adiabatique du gaz défini comme le rapport de ses capacités calorifiques à pression et à volume constants (dans le cas présent il s’agit bien entendu du CO 2, dont l’indice g vaut environ 1,3). Sur le graphique de la figure 2, on peut voir, en fonction de la température initiale T d’une bouteille de champagne de 75 cl, la pression P B de gaz carbonique qui règne en son sein lorsqu’elle est encore bouchée, ainsi que la température théorique T f atteinte par le volume de gaz initialement sous pression dans le col de la bouteille après la détente adiabatique (lorsqu’il est revenu à la pression ambiante de 1 bar). De façon assez contre-intuitive, une fois la détente adiabatique réalisée, la température du gaz détendu chute à une valeur d’autant plus basse que la température initiale de la bouteille est élevée. En théorie, le volume de gaz qui se détend hors d’une bouteille stockée à 20 °C voit sa température chuter à presque -90 °C ! Que deviennent donc les différentes espèces gazeuses en présence dans un environnement aussi glacial ? Des cristaux de neige carbonique Le diagramme de phase pression-température du CO 2 apparait sur la figure 3. Sous une pression de 1 bar, on constate que le CO 2 est un gaz au-dessus d’une température de -78,5 °C. En dessous de cette température et sous la pression ambiante de 1 bar, le CO 2 existe sous sa forme solide (la neige carbonique). Le tableau 1 présente une synthèse des paramètres du mélange gazeux binaire CO 2/H 2 O après le débouchage, une fois la détente adiabatique Température initiale de la bouteille 6 12 20 Température atteinte par le mélange gazeux binaire CO 2/H 2 O (°C) -77,3 -81,7 -89,8 Pression partielle du CO 2 gazeux (bar) ≈ 1 ≈ 1 ≈ 1 Pression partielle de la vapeur d’eau (bar) 0,0020 0,0024 0,0031 Coefficient de sursaturation du CO 2 gazeux, S CO2 ≈ 0,9 ≈ 1,4 ≈ 2,5 Coefficient de sursaturation de la vapeur d’eau, S H2 O ≈ 2400 ≈ 7000 ≈ 27 400 Taux de nucléation homogène des cristaux de glace d’eau (cm -3 s -1) ≈ 8 x 10 17 ≈ 10 19 ≈ 10 20 Taux de nucléation homogène des cristaux de neige carbonique (cm -3 s -1)/≈ 0 ≈ 0 34 Reflets de la Physique n°61 P B (bars) 9 8 7 6 5 4 4 6 P B -75 -80 -85 T f -90 -95 8 10 12 14 16 18 20 22 T (°C) 2. Pression partielle de CO 2 qui règne dans la bouteille encore bouchée (en violet) et température atteinte par le nuage de gaz carbonique qui se détend lorsque le bouchon saute (en bleu), en fonction de la température initiale de la bouteille. Pression (bar) 10 4 10 3 10 2 10 1 solide (5,2 bar) point triple (-56,6°C) liquide 10- 1 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 Température (°C) gaz (72,9 bar) fluide critique point critique (31,10°C) 3. Diagramme de phase pression-température du dioxyde de carbone (CO 2). Tableau 1. Paramètres du mélange gazeux binaire CO 2/H 2 O après le débouchage, une fois la détente adiabatique réalisée. T f (°C)
Avancées de la recherche 4. Après la détente adiabatique, dans le goulot de la bouteille stockée à 20 °C, on constate que le nuage de condensation vire progressivement du bleu au blanc-gris. 83 µs séparent chaque cliché. réalisée et en fonction de la température initiale de la bouteille. Pour les bouteilles initialement à 6 °C, la température du mélange gazeux qui s’en échappe chute à environ -77 °C. Il ne fait donc pas encore assez froid pour condenser les vapeurs de CO 2 en neige carbonique. Pour les bouteilles stockées à 12 et à 20 °C, la température des gaz qui se détendent chute respectivement à grosso modo -82 et -90 °C, et donc sous la valeur seuil de -78,5 °C. Cependant, compte tenu de leur taux de nucléation homogène quasiment nul, les cristaux de neige carbonique ne peuvent tout simplement pas se former. C’est à cette étape qu’un autre acteur du système entre en jeu  : la vapeur d’eau, présente dans le col de la bouteille. En effet, le ciel gazeux de la bouteille encore bouchée contient de la vapeur d’eau en équilibre avec le champagne qui, rappelons-le, est formé à près de 87% d’eau en volume. Lorsque le bouchon saute, la température du mélange gazeux binaire CO 2/H 2 O chute à plusieurs dizaines de degrés sous la température de congélation de l’eau. Il fait si froid que la vapeur d’eau se transforme en cristaux de glace d’eau par nucléation homogène (sans l’aide d’un support solide, compte tenu des énormes coefficients de sursaturation de la vapeur d’eau). Ce sont donc les cristaux de glace d’eau, apparaissant par nucléation homogène dans le col de la bouteille, qui servent de noyaux solides pour la nucléation hétérogène du gaz carbonique en neige carbonique [4]. Des phénomènes similaires ont été mis en évidence dans le mélange gazeux qui se détend dans les tuyères des moteurs de fusées [5]. Là aussi, les gaz les plus facilement condensables (en général l’eau et le CO 2) servent de noyaux solides qui permettent la condensation des espèces telles que le dioxygène et le diazote, présentant des températures de condensation bien plus basses. De la diffusion de Rayleigh à celle de Mie Le panache bleu azur qui apparait dans le sillage du bouchon qui saute et dans le col de la bouteille serait donc la signature de la transformation des vapeurs de CO 2 en cristaux de neige carbonique. Mais pourquoi ce panache est-il bleu, alors que le nuage de condensation de la vapeur d’eau ambiante qui caractérise le débouchage des bouteilles plus froides apparait plutôt blanc ? Selon la théorie de la diffusion, si la taille des cristaux qui diffusent la lumière demeure très inférieure aux longueurs d’onde du spectre de la lumière ambiante, la diffusion sera plus efficace pour les petites longueurs d’onde du spectre, et donc pour la lumière bleue. Ce mode de diffusion de la lumière par des particules plus petites que les longueurs d’onde incidentes est connu sous le nom de diffusion de Rayleigh. C’est le même phénomène qui explique d’ailleurs pourquoi le ciel nous apparait bleu, les molécules qui composent l’atmosphère de notre planète étant bien plus petites que les longueurs d’onde de la lumière visible. Si le nuage de condensation du gaz carbonique ne blanchit pas hors du goulot de la bouteille, c’est parce que les cristaux de neige carbonique qui le constituent ne peuvent pas croitre suffisamment pour atteindre des tailles micrométriques qui le feraient paraitre blanc. En effet, l’air ambiant agit comme un immense réservoir thermique. Très vite la température du nuage de condensation remonte au-dessus de -78,5 °C, et les cristaux de neige carbonique se subliment pour se transformer en gaz carbonique. Au bout de quelques millisecondes le nuage bleu s’évanouit audessus du goulot, comme sur la figure 1. Cependant, confiné dans le goulot de la bouteille, le nuage de condensation est protégé du réservoir thermique un peu plus longtemps. Les cristaux de neige carbonique sont donc susceptibles de croitre autour de leur cœur de glace d’eau. Ils atteignent alors des tailles micrométriques et le nuage de condensation change progressivement de couleur. Il vire du bleu profond au blanc-gris, comme on peut clairement le constater sur la figure 4. Conclusion Le débouchage d’une bouteille de champagne, comble de la frivolité pour certains, permet de revisiter la physique des changements de phase et des jets supersoniques sous-détendus. Les phénomènes de condensation qui surviennent dans le sillage d’un bouchon de champagne qui saute, ainsi que le réseau d’ondes de choc qui l’accompagne, se révèlent être assez proches de situations mises en évidence dans l’industrie aéronautique et notamment dans les tuyères des réacteurs d’avions ou de fusées. Nous poursuivons nos investigations en examinant les détails du tout premier millième de seconde qui suit le débouchage, à l’aide de techniques telles que la strioscopie par exemple. Références 1 R. Batt, «Pop ! Goes the champagne bottle cork», Journal of Chemical Education, 48 (1971) 71. 2 M. Volmer et K.-P. Möllmann, Physics Education, 45 (2012) 608-615. 3 G. Liger-Belair et al., Journal of Food Engineering, 116 (2013) 78-85. 4 G. Liger-Belair et al., Scientific Reports, 7 (2017) 10938. 5 B.E. Wyslouzil et al., Journal of Chemical Physics, 113 (2000) 7317–7329. Reflets de la Physique n°61 35



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