Expérience de capilarité dans un bouillant de francklin

ventout · 06/01/2005, 00h02

L'eau...
Expérience de capilarité dans un bouillant de francklin !
Expérience bientôt prête:
de l'eau dans une bouteille
l'eau est portée à ébulition à pression atmosphérique pendant dix minutes
la vapeur sort par un fin tube en cuivre fixé au goulot de la bouteille avec une résine époxy qui résiste à 150°C.
après 10mn d'ébulition le tube est bouché de sorte que dans la bouteille ne se trouve plus que de l'eau et de la vapeur d'eau.
On laisse refroidir.
La pression de vapeur saturante diminue.
(La résine époxi dégaze peu: on est tranquille pour un mois!)
dans l'eau sont différentes expériences de capilarité:
- fins tubes de verre de différents diamètres, tenus verticalement
- différentes fibres sur différentes structure (verre et cuivre).

Observation attendue: l'eau monte dans le tube de verre par "succion" (cf. tensions de surface). Une "atmosphère" de vapeur d'eau est plus favorable que de l'air. Sous la couche moléculaire qui élève la colonne d'eau, la pression dans l'eau est inférieure à tout autre endroit à l'intérieur de la bouteille créant localement une dépression plus favorable à la venue d'une bulle de vapeur qu'à tout autre endroit dans la bouteille !
Qu'en pensez-vous ?
A+
Ventout

zoup1 · 06/01/2005, 19h55

Citation:

Posté par ventout

L'eau...
Expérience de capilarité dans un bouillant de francklin !

pourqoi ne pas ouvrir un nouveau fil pour en parler. Dans celui-ci il est perdu...

Citation:

Posté par ventout

Une "atmosphère" de vapeur d'eau est plus favorable que de l'air.

Ah bon ? pouquoi ?

Quelles sont les conditions de mouillage dans une telle atmosphère ? comment est modifié la tension de surface et l'angle de contact ?
Tiens, intuitivement j'ai l'impression que cela devrait en dépendre mais je ne me rappelle pas avior vu que cela en dépendait.

Bon, ben c'est interessant, je vais y réfléchir...

ventout · 06/01/2005, 21h26

L'histoire de cette expérience est plutôt chaotique.
J'ai commencé par faire plusieurs bouteilles-bouillant-de-Francklin pour voir de mes yeux comment l'eau bout en fonction de la température (vers 20°C des bulles apparaissent seulement à la surface de l'eau, jamais à quelques centimètres de profondeur à cause de la pression plus forte en profondeur). Une infime quantité de savon et les bulles sont bien visibles en surface lorsqu'elles gonflent (pendant que je refroidis avec de la glace le haut de la bouteille).
C'est plus tard que j'ai pensé à cette histoire de capilarité.
Pour faire bouillir l'eau avant de boucher hermétiquement la bouteille j'utilisais une plaque chauffante électrique, une casserole et de l'huile propre pour voiture. ensuite, j'ai pensé utiliser une pompe à vide pour baisser la pression atmosphérique et ainsi abaisser la température d'ébulition vers 60°c. J'ai donc acheté un "venturi" alimenté par air comprimé à 5bars et qui crée une dépression de 90% et peut absorber la vapeur d'eau sans problème. Je voulais remplacer la bouteille par un grand bocal avec joint en caoutchouc, percé sur le dessus à travers le couvercle en verre épais. C'eût été plus facile pour ouvrir et remplacer les expériences. J'ai utilisé une meule pneumatique à grande vitesse de rotation pour percer, sans problème. Mais ça n'a pas marché et je n'ai toujours pas réussi à trouver la fuite par laquelle l'air s'infiltre en quelques minutes. Donc, j'en suis aujourd'hui à retour à l'ancien système avec l'huile pour "bain-mari". Mais c'est moins pratique, pour sûr, à cause étroitesse du goulot etc... Quoi qu'il en soit j'ai pu constater que sous atmosphère raréfiée, la hauteur de la colonne d'eau par capilarité était un peu plus grande. Je sais aussi que cela dépend de la température cf. annexes page 23, 24, 25:
http://apl.epfl.ch/webdav/site/apl/s...20script_1.pdf
Maintenant, je fais de mon mieux avec les moyens du bord (je suis autodidacte). Cela dit, ok, j'ai dit une bêtise: c'est quand la pression augmente que la tension superficielle de l'eau baisse et non pas "une atmosphère de vapeur d'eau est plus favorable" à une forte montée de l'eau par capilarité. Cependant, il y a trois milieu: le verre, l'eau et la vapeur d'eau et l'équilibre des différentes tensions de surface se joue avec ces trois-là. En fait, je ne sais pas qui de la vapeur d'eau ou de l'air présente la tension de surface la plus faible. Quoi qu'il en soit, il n'y avait et n'y a aucune raison de penser que le phénomène de capilarité soit atténué dans le bouillant de Francklin comparé à l'air libre et à même température. Je me suis fourni en tubes de verres de différents diamètres chez un artisan verrier: 1, 2, 3, 4 et 5mm.
Bien sûr je n'ai pas oublié de mettre un petit morceau de pierre volcanique (ponce) dans l'eau afin d'éviter le risque d'explosion et j'ai pris la peine nécessaire de déposer un peu de poussière de pierre volcanique dans la partie haute de chaque tube pour capilarité, puis chauffé à rouge lesdits tubes et afin d'y incruster un peu de cette poussière et afin de faciliter l'éventuelle formation de bulle.
Pour ce qui est d'ouvrir un autre fil de discussion, oui, mais c'est peut-être trop tar'd non?

zoup1 · 06/01/2005, 21h47

En ce qui concerne l'ouverture d'un fil, si on le demande gentiment à un modérateur, je suis sur qu'il le fera... en y déplacant les messages concernés.

C'est quoi cette histoire de pierre ponce... je ne comprends rien ?

Par ailleurs, cette manip est donc largement montée j'ai l'impression ? Peut-etre as tu quelques photos à nous montrer ?

ventout · 06/01/2005, 22h50

Pour les photos, je ne sais pas faire et n'ai pas le matériel.
Pour ce qui est de la pierre ponce, on en mettait toujours dans les locomotives à vapeur, par exemple, car l'eau pure peut chauffer à bien plus de 100° sans bouillir à pression atmosphérique. Alors elle devient explosive et ça peut faire de très gros dégats!!!... jusqu'à quasiment raser une maison de campagne comme cela a été rapporté en France au 17éme siècle (de mémoire). C'est un peu comme les bulles dans le verre de champagne: une impureté va servir de catalyseur à l'apparition de la bulle de co2.
Mais la question reste posée: que va-t-il se passer ?
Bien sûr, si une bulle apparaît au sommet de la colonne d'eau (j'y crois pas ce serait trop beau!) alors ça deviendrait très intéressant ! Mais pour l'heure je ne suis pas prêt et cette expérience ne se fera pas avant le printemps.
Je vais quand même me renseigner pour la photo (en passant par un autre ordinateur que le mien).

A+

ventout · 09/01/2005, 15h25

Alors, zoup1, on "sèche" avec un sujet su l'eau ?...
N'y aurait-il pas là comme un paradoxe ?...
Amicalement,
ventaout

zoup1 · 09/01/2005, 15h32

Tu es sur que tu ne veux pas ouvrir un nouveau fil pour parler de ce truc... C'est à toi de le faire. pas à moi... pour l'instant on est que tout les 2 sur le coup donc ca peut valoir le coup, on reposte à la main ce qui nous fait plaisir puisque la modération me semble occupée à autre chose en ce moment.

**Coincoin** · 09/01/2005, 15h54

Voilà, voilà... J'espère que j'ai découpé comme il fallait et que le titre vous convient

zoup1 · 09/01/2005, 15h59

Merci Coincoin... c'est super...

ventout · 09/01/2005, 16h06

Merci coincoin !
Ventout

zoup1 · 09/01/2005, 16h11

C'est à priori sous le ménisque que la différence de pression sera la plus faible.
Cependant pour la nucléation de bulles dans un liquide généralement cela se produit aux endroits où il existe des petites poussière qui servent de germe à la nucléation des bulles. C'est le cas pour les gaz dissous... dans les boissons gazeuses les bulles se forment sur les parois du récipient où il y a des impurtées. Mais également pour des transitions de phase.

Il faudrait en fait être capable d'évaluer l'ordre de grandeurs des effets des impuretés... Je dois bien avouer que je ne sais pas comment m'y prendre. Et comparer cela avec l'effet de la différence de pression lié à la présence du ménisque.

ventout · 09/01/2005, 17h03

Je ne comprends pas bien ce que tu veux dire.
Dans le détail:
1- la pression de vapeur saturante au-dessus du liquide varie très légèrement avec la hauteur à cause du poids de ladite vapeur soumise au champ gravitationnel. La différence est très faible de sorte que cette remarque est sans intérêt.
2- la pression de vapeur saturante dans le liquide (hors tube capilaire) varie aussi avec la hauteur mais de façon bien plus significative à cause de la densité plus grande de l'eau (comparée à la vapeur), donc de son poids et donc de la pression de la hauteur d'eau.
3- dans le capilaire, la pression "absolue" varie aussi avec la hauteur de la colonne d'eau (colonne d'eau au-dessus du niveau d'eau de la bouteille) mais cette pression "absolue" est inférieure à la pression de vapeur saturante qui se trouve au-dessus du ménisque. La différence de pression "absolue" dépend principalement de la hauteur de la colonne d'eau dans le capilaire. Mais puisque la pression de vapeur saturante est fonction de la température, elle devrait être égale partout. La différence entre la pression absolue et la pression de vapeur saturante devrait provoquer la formation d'une bulle de vapeur sous le ménisque et produire une baisse locale de température (minime). Cette baisse de température serait troublante... puisque provoquée sans "dépense" d'énergie... Disons que là on est à la limite où ce qui se passe à un niveau microscopique (non homogénéité de la température) devient macroscopique!!!!!!!!!........ ... d'où l'intérêt......

zoup1 · 09/01/2005, 18h58

Je raisonne en direct, il est donc fort possible que je dise des bétises !!!

Créer une bulle de gaz du liquide demande à créer une interface liquide gaz. Cela coûte de l'énergie. Cette énergie est proportionnelle à la surface de la bulle soit proportionnelle à la taille de la bulle au carré. Le gain énergétique lié au passage de la phase liquide à la phase gazeuse est lui proportionnel au volume de la bulle, soit proportionnelle au cube de la surface de la bulle. Il existe donc une taille de bulle critique (qui dépend de la température et de la pression locale) en dessous de laquelle la bulle va décroitre et au dussus de laquelle la bule croit. La présence d'impureté permet de modifier le "paysage énergétique"... décrire comment est compliqué mais en pratique ce sont sur ces impuretés ou défauts que nucléent les bulles.

ventout · 09/01/2005, 19h15

Ok, mais ce n'est pas exactement ainsi que l'expérience me questionne.
Le bouillant de F. est ainsi que si l'on refroidit la vapeur d'eau à l'extrémité haute du récipient alors sa pression diminue. Suite à quoi, la pression de vapeur saturante dans l'eau liquide va faire que l'eau liquide va libérer de la vapeur d'eau et afin que les pressions s'équilibrent.
Dans l'expérience que je propose, je fais baisser la pression sous le ménisque non plus en abaissant la température comme expliqué ci-dessus mais par la hauteur de la colonne d'eau...

La baisse de pression sosu le ménisque devrait conduire l'eau à libérer sa vapeur à cet endroit précis.

zoup1 · 09/01/2005, 20h42

Tu as raison, c'est vraissemblablement à cet endroit là que l'eau va libérer sa vapeur...
En fait tout dépend de la façon tu diminue la température. Si tu fais cela doucement, la chute de pression sera progressive et à ce moment là le changement d'état se fera la où c'est le plus facile, c'est à dire dans ton tube.
Si la chute de pression est au contraire extrèment rapide alors il y aura présence de bulles partout dans la volume d'eau. Et on aura les grosses bulles comme dans le bouillant classique.

Dans le premier cas il y aura simplement un déplacement de l'inteface.

Le déplacement de cette interface dans le tube peut avoir 2 origines.
-Premièrement : Un changement d'état lié de la phase liquide à la phase gazeuse.
- Deuxièmement : une variation de l'angle de contact et de la tension de surface. Je ne sais pas bien comment ces deux paramètres varient au voisinage de la transition mais vraisemblablement dramatiquement...

ventout · 09/01/2005, 20h59

La précision qui me semblait évidente et qui t'a semble-t-il échappé: je pense qu'une bulle pourrait apparaître sous le ménisque ALORS MEME que le bouillant est tenu à la même température extérieure !!!
c'est toute la question depuis le début !!!... il ne s'agit pas de refroidir le bouillant pour voir apparaître une bulle sous le ménisque mais de voir apparaître cette bulle SANS refroidir la partie haute du bouillant....
Voilà la question !! la seule question que je pose depuis le début !!!!!
pas une autre

zoup1 · 09/01/2005, 21h06

C'est pas la peine de s'énerver.
A question sans équivoque, réponse sans équivoque.
Non, pas de bulle sous l'interface...
L'endroit où il est le plus facile de faire une bulle n'est pas sous l'interface mais à l'interface, autrement dit il s'agit d'une évaporation traditionnelle.

ventout · 09/01/2005, 21h54

Ok !
Mais s'il ne s'agit que d'évaporation traditionnelle à la surface, cela signifie que la dépression sous le ménisque est SANS effet...
pourtant le principe MEME du bouillant est de provoquer l'apparition de bulles par... une dépression...
alors ?