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[FAQ] fr.sci.physique - partie 2/2 |
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Archive-Name: fr/sci/physique.2
----------------------------------------------------------------------
La FAQ de fr.sci.physique
v 1.3.1 du 04/01/2003
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http://fsp-faq.ifrance.com/
Deuxième partie
----------------------------------------------------------------------
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= Correction d'un lien dans I-5-4 (th0004)
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------------------------------
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
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
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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.
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