Vidéos d’expériences : thermodynamique

 
 
  1. Deux exposés d’expériences de physique du quotidien

  2. avec pas mal de thermo et de méca flu

  3. par les auteurs de la rubrique «Idées de Physique» de la revue Pour la Science




  1.                                    
               



  1. L’univers étrange du froid : à la limite du zéro absolu

  2. Une conférence de l’Université de Tous les Savoirs : la vidéo et le texte




  1.                                    
               



  1. Etats de la matière


  1. 1. Mesurer la masse volumique de l’air


  2.                                                    



  3. 2. Loi de Bayle-Mariotte pour l’air


  4.                                                    



  5. 3. L’eau, le verre et le plasma


  6.                
                
               



  7. La pression atmosphérique


  1. 4. Le verre plein retourné sur l’air



  2.                                                    



  3. 5. La pression atmosphérique, ce n’est pas rien : l’expérience des hémisphères de Magdebourg



  4.                                                    



  5. 6. Faire imploser un bidon ou un camion citerne en pompant l’air à l’intérieur



  6.    
               
               
               



  7. 7. Faire imploser une canette ou un bidon en les refroidissant



  8.                                    
               



  9. Dans une cocotte minute, la pression augmente avec la température jusqu’à une valeur de l’ordre de 2 atm (grâce à la soupape qui laisse échapper le gaz au-dessus de cette pression) et peut descendre jusqu’à 1/3 atm lorsqu’on la refroidit rapidement en la mettant sous le robinet d’eau par exemple (comme la canette dans l’expérience de la vidéo). On comprend mieux maintenant pourquoi les parois de la cocotte sont si épaisses …




  1. La statique des liquides


  1. 8. Principe des vases communicants : la pression est la même en tous les points d’un liquide situés à une même altitude



  2.                                                    



  3. Les niveaux d’eau ouverts à l’air libre sont à la pression atmosphérique (équilibre  des pressions à l’interface  eau-air) donc à la même altitude.



  4. 9. Comment arracher le fond d’une bouteille en verre



  5.                                                    



  6. L’eau, incompressible, transmet la pression exercée par le marteau. La bouteille étant plus large au fond qu’au goulot la force exercée sur le fond de la bouteille est plus grande que celle exercée par le marteau et suffit à arracher le fond de la bouteille : c’est le principe des presses hydrauliques.



  7. 10. Mesure de la pression sous l’eau à l’aide d’un manomètre : la pression augmente bien avec la profondeur



  8.                                                    



  9. 11. Prévoir où sortent les bulles



  10.                                                    



  11. Les bulles s’échappent là où la pression est la plus faible, or la pression au fond du verre augmente avec la hauteur de liquide et sa densité.





  12. Archimède


  1. 12. La poussée d’Archimède est une force de pression



  2.                                                    



  3. 13. Un bouchon en suspension dans l’eau : au repos et dans une voiture



  4.                                 
               



  5. 14. Le ludion : principe des ballasts des sous-marins



  6.                    
               
               



  7. Vidéo 1 : Si le ludion coule, c’est que la poussée d’Archimède ne compense plus son poids. Quand on appuie sur la bouteille en plastique, la pression de l’eau augmente et comprime l’air emprisonné dans le ludion (les gaz sont compressibles. Le volume d’air dans le ludion diminuant, la poussée d’Archimède diminue et ne compense plus son poids : le ludion descend.

    Vidéo 2 : ludion à faire soi-même.

    Vidéo 3 : principe des ballasts sous-marins





  1. Propriétés thermodynamiques


  1. 15. L’expérience de Joule : l’équivalent mécanique de la chaleur



  2.                                                    



  3. 16. Dilatation thermique : anneau de S’Gravesande



  4.                                                    



  5. 17. Le piston à feu



  6.                                                    



  1. 18. Pourquoi les glaçons refroidissent-ils le pastis ?



  2.                                                    



  1. 19. L’entropie : crise énergétique ? Mais non, entropique !



  2.                                                    




  1. Les changements d’états


  1. 20. Ebullition de l’eau à basse pression



  2.                                                    



  3. 21. Faire bouillir de l’eau en la refroidissant : le bouillant de Franklin



  4.                                                    



  5. 22. L’évaporation consomme de l’énergie



  6.                                                    



  7. 23. Quelques expériences avec l’azote liquide



  8.                                                    



  9. 24. Divers points triples



  10.    
               
               
               



  11. 25. Contournement du point critique, opalescence critique, phase supercritique



  12.                    
               
               



  13. A T>Tc, le ménisque séparant les phases liquide et vapeur disparaît : on ne distingue plus les deux phases, le fluide est supercritique.



  14. 26. Sublimation de la glace carbonique (dry ice)



  15.                   
               
               



  16. La sublimation est le passage de l’état solide à l’état gazeux sans passer par l’état liquide.

    La glace carbonique est du CO2 à l’état solide. Elle sublime à T=-80°C sous 1 atm (son point triple est à une pression Pt(CO2)~5 atm >1 atm) . Les extincteurs à CO2 projettent de la neige carbonique, mélange de glace et de gaz carbonique (le CO2 se refroidit lors de la détente) pour étouffer les feux.



  17. 27. Sublimation de l’iode



  18.                                      
               



  19. 28. Surfusion de l’eau et de l’acétate de sodium



  20.    
              
              
               



  21. La surfusion, c’est lorsqu’un corps reste liquide à une température inférieure à sa température de fusion : c’est un retard à la solidification. Le liquide surfondu est dans un état métastable :  une vibration, l’introduction d’un cristal de solide ou une impureté suffisent à déclencher la cristallisation.



  22. 29. D’où viennent les bulles de champagne ?



  23.                                                             


  24. 30.Transition magnétique du fer et du nickel



  25.                           
               
               




    1. Le fer et le nickel sont des matériaux ferromagnétiques : ils sont fortement attirés par un aimant.

    2. Mais lorsque qu’on les chauffe au delà d’une température Tc, appelée température de Curie, l’agitation thermique finit par détruire l’ordre magnétique et ces matériaux deviennent paramagnétiques : la force d’attraction exercée par l’aimant est alors trop faible pour les soulever.

    3. La température de Curie du fer vaut Tc=770°C tandis que celle du nickel vaut Tc=354°C.




  26. 31.Transition allotropique du fer



  27.                                                    



  28. Le fer subit à 906°C un réarrangement cristallin qui se traduit par une anomalie de dilatation : à T>906°C, c’est la variété γ du fer qui est stable (structure cfc) alors qu’à T<906°C, c’est la variété α qui est stable (structure cc).

    Or un réseau cc est moins compact qu’un réseau cfc. Ainsi, lors du refroidissement, on observe une transition Feγ Feα, càd une transition d’un réseau plus compact vers un réseau moins compact : le fil se dilate brusquement lorsqu’il franchit la transition, d’où le sursaut de la masse.




  1. L’agitation thermique


  1. 32. Observation au microscope du mouvement brownien de petites billes de latex dispersées dans une goutte d'eau



  2.                                                    



  3. Une façon simple d’observer l’agitation thermique consiste à observer le mouvement désordonné de petites particules en suspension dans un fluide. Ce mouvement, appelé mouvement brownien, est dû aux chocs incessants de ces petites particules avec les molécules du fluide soumises à l’agitation thermique. Le botaniste écossais R. Brown a été le premier à observer au microscope le mouvement de petites particules contenues dans des grains de pollen en 1827.





  1. La diffusion moléculaire


  2. 33. Diffusion de colorant : le coefficient de diffusion D dépend du solvant et de la température (D croît avec T)



  3.                                                    



  4. 34. Diffusion dans des gaz



  5.                                                    




  6. - Diffusion de fumée dans de l’air.

    - Diffusion de vapeur de brome (Br2, de couleur brune) dans de l’air puis dans du vide.

    - Le dioxyde d’azote (NO2, de couleur brune aussi), plus léger, diffuse plus rapidement dans l’air que la vapeur de brome Br2, plus lourd.

    - Diffusion d’ammoniac (NH3) et d’acide chlorydrique (HCl) : quand ces 2 gaz se rencontrent, ils réagissent pour former du chlorure d’ammonium (NH4Cl, vapeur blanche). Comme c’est une réaction acide-base, on peut voir la diffusion à l’aide d’un papier pH qui devient rouge pour HCl (acide), bleu pour NH3 (base) et jaune pour NH4Cl (de pH neutre)

    - La diffusion de colorant dans de l’eau est d’autant plus rapide que la température est élevée (D croît avec T).




  7. 35. Diffusion sélective à travers une membrane : le principe de la dialyse



  8.                                                    



  9. On plonge un sachet à dialyse contenant une solution d’amidon (« starch » en anglais) dans une solution iodée (couleur brune). On rappelle que l’amidon se colore en bleu foncé au contact de l’iode. Au bout de 10 min, le sachet devient bleu tandis que la solution dans le verre garde sa couleur brune. L’iode a diffusé dans le sachet (d’une zone de forte concentration en iode, vers une zone de faible concentration en iode) mais l’amidon n’a pas diffusé dans le verre car la membrane du sachet est semi-perméable et ne laisse pas passer les molécules d’amidon, trop grosses.

    Cette manip illustre le principe de la dialyse, utilisée par exemple en cas d’insuffisance rénale pour filtrer le sang. Elle illustre aussi la façon dont la membrane cellulaire contrôle les échanges.





  1. La convection


  1. 36. Le liquide chaud, moins dense, monte tandis que le liquide froid, plus dense, descend



  2.                                                    



  3. Le colorant rouge est déposé au fond de l’aquarium, au-dessus d’un verre chaud : entraîné par le courant de convection, le colorant rouge monte. Le glaçon a été trempé dans un colorant bleu : entraîné par le courant de convection froid, le colorant bleu descend.



  4. 37. Courants de convection dans les liquides : exemples de la tectonique des plaques et des lampes à lave



  5.                                                    



    1. -Convection dans le tube : l’eau chaude, moins dense, monte et entraîne avec elle le colorant.

    2. -Colorants dans l’aquarium : des récipients contenant de l’eau chaude à gauche et de l’eau froide à droite et placés sous l’aquarium provoquent des courants de convection bien visibles.

    3. -Tectonique des plaques : due aux courants de convection dans le manteau terrestre.

    4. -Lampes à lave : la cire, légèrement plus dense que le liquide, est chauffée par la lampe placée à la base du récipient et refroidie à la surface.



  6. 38. La convection accélère la diffusion


  7.                                                    



  8. 39. L’inversion de température et l’accumulation de pollution


  9.                                                    



  10. Lorsque le liquide chaud est placé sous le liquide froid, un courant de convection mélange les deux liquides et donc ici les couleurs.  Mais lorsqu’on met le liquide froid sous le liquide chaud, le liquide froid se retrouve piégé.

    Cette manip illustre le phénomène d’inversion de température, lorsqu’une masse d’air froid se retrouve piégée sous une masse d’air chaud. Si cette inversion se produit au-dessus d’une ville, l’air pollué s’accumule en bas au lieu de monter sous l’effet de la convection et de se disperser dans l’atmosphère.





  1. La conduction thermique


  1. 40. Pour le glaçon, le métal semble plus chaud que le bois



  2.                                                    



  3. L’aluminium (à droite) est meilleur conducteur thermique que le bois (à gauche), la température de contact est donc plus élevée avec le métal qu’avec le bois.





  4. 41. Conduction le long de différents métaux



  5.                                                    



  6. Le métal qui conduit la chaleur le plus rapidement est celui qui a la plus grande diffusivité thermique a=K/rho c. Dans l’ordre de diffusivité décroissante : Cu, Al, Bronze (Brass), Nickel et Acier (Steel).



  7. 42. Trois expériences de conduction


  8.                                    
               



  9. Vidéo 1 :

    1ère expérience : conduction de la chaleur dans différents métaux. Semblable à la vidéo précédente, sauf qu’ils utilisent ici une peinture sensible à la chaleur, mais ils ont dû inverser les barres de Cu et d’Al, car c’est évidemment le cuivre qui a la plus grande diffusivité. Dans l’ordre de diffusivité décroissante : Cu, Al, Zinc, Etain (Tin), Fer (Iron) et Plomb (Lead).

    2ème expérience : le papier brûle au niveau du bois mais pas au niveau du métal : cela vient de ce que le métal, bon conducteur thermique, évacue mieux la chaleur que le bois, évitant ainsi au papier de brûler.

    3ème expérience : un verre en carton plein d’eau au-dessus d’une flamme ne brûle pas : l’eau évacue la chaleur par convection et par conduction. Sachant que la température de l’eau n’excède pas 100°C (température d’ébullition sous 1 atm) et que la température d’ignition du papier est de 233°C (451°F, du nom d’un célèbre film de F. Truffaut), tant qu’il y a de l’eau, le carton ne brûle pas. Mais en haut du verre, là où il n’y a pas d’eau, la chaleur s’accumule et le carton finit par brûler…


    Vidéo 2 : une autre vidéo avec deux verres en carton sur un feu, l’un vide (à gauche) et l’autre rempli d’eau (à droite).



  10. 43. Dans le même genre que le verre en carton, le ballon au-dessus de la flamme



  11.                                                    



  12. 44. La flamme suspendue



  13.                                                    


  1. 45. L’eau est un mauvais conducteur thermique



  2.                                                    


  1. 46. L’arnaque de la température ressentie



  2.                                                    





  1. Le rayonnement thermique


  1. 47. Chauffer avec une lampe



  2.                                                    



  3. 48. Lois du corps noir, principe du pyromètre optique



  4.                                    
               



  5. 49. L’expérience d’Herschel  : des IR dans son jardin



  6.                                    
               



  7. 50. Allumer une allumette à distance



  8.                                                    



  9. 51. Ce qu’on peut voir (ou ne pas voir) avec une caméra IR



  10.                                    
               



  11. 52. Thermographie des bâtiments : détection des fuites thermiques (vidéo du fabricant)



  12.                                    
               



  13. 53. Aide à la conduite de nuit (vidéo du fabricant)



  14.                                                    



  15. 54. Effet de serre : vidéo de l’INRA (2003) et de la Fondation Hulot (2009)



  16.                
               
               




  17. 55. Faut-il croire au réchauffement climatique ? Oui !



  18.                                                    




  19. 56. Le rayonnement cosmologique : le meilleur corps noir



  20.                                                    




  21.                                   


 

Quelques vidéos d’expériences illustrant le cours et les TD glanées sur le net.


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