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PartieThéorique


Partie Expérimentale


Cahier de Manipulation



Partie Théorique



I) Historique

Johann Gottlob Leidenfrost (1715-1794) est un médecin et théologien allemand. Il est connu pour avoir le premier décrit véritablement le phénomène qui porte son nom : L'effet Leidenfrost. Il remarqua que des gouttelettes d'eau ne s'évaporaient pas instantanément sur des plaques chauffées au rouge et quelles avaient des comportement particulier comme la non adhérence. Au cours de ses recherches, il observe que plus la plaque est chaude, plus l'évaporation est lente de sorte que la durée de vie de la goutte augmente avec la température et ce jusqu'à un certain point. Ce phénomène va continuer d’être étudier au XIX, période durant laquelle les scientifiques vont essayer de prouver l'existence d'un film de vapeur entre la goutte et la plaque.

II) Explication du phénomène

L'effet Leidenfrost ou caléfaction est un phénomène d'isolation entre un liquide et un solide (ou un autre liquide) dont la température est supérieure a la température d'ébullition du liquide.

a)Goutte liquide sur surface solide


Caléfaction d'une goutte sur une surface chaude

Ce phénomène d'isolation se produit lorsque la plaque chauffante a atteint une température, appelée « Température de Leidenfrost », supérieure à la température d'ébullition du liquide. Par exemple une goutte d'eau sur une plaque chauffante a 160°C (généralement la température de Leidenfrost (température ou les premiers effets apparaissent) est environ 50 % supérieure a la température d'ébullition). On voit alors que la durée de vie de la goutte est nettement supérieure aux goutte qui tombent sur un plaque légèrement moins chaude. En effet, dès que la goutte touche la plaque, sa partie inférieure se vaporise immédiatement et forme ainsi une couche de vapeur sous le reste de la goutte permettant de l'isoler de la plaque. Cette couche de vapeur permet une isolation partielle de la goutte et rend le transfert thermique plus lent.

Par exemple, la conductivité thermique de l'eau liquide est 6,8mWcm-1k-1 et celle de la vapeur d'eau de 0,25mWcm-1k-1, c'est à dire une division de la conductivité thermique d'environ 27 fois.La goutte d’eau est alors à une température de 96°C, moins de 100°C, ce qui explique sa longévité. Le film de vapeur sert à isoler la goutte du contact physique avec la surface et lui permet de léviter au-dessus de la plaque. Celle ci ne subit aucun frottements et est isolé physiquement de la plaque, qui, possédant certaines irrégularités augmentant la surface de contact plaque/goutte,peut engendrer son ébullition. La goutte ne perd donc de masse que par évaporation.

b) Solide dans liquide

Il s'agit du même processus. Ici on plonge un corps très chaud dans un liquide beaucoup plus froid.
La différence de température entre les deux milieux entraîne un effet Leidenfrost. Le solide est alors entouré (cas d'une bille: cf. vidéo) d'un film de vapeur du liquide dans lequel il est plongé, et qui qui l'isole de celui ci.
Il se refroidit alors beaucoup plus lentement.

Ce phénomène de ralentissement peut être dangereux lorsqu'il se produit dans les système de refroidissement, dans un moteur de voiture ou dans les centrales nucléaires par exemple. De plus lorsque la température de la surface chaude diminue et repasse sous le seuil critique, le film de vapeur devient trop fin et la goutte chute sur la plaque provoquant son ébullition brutale. Cette évaporation brutale peut entraîner une surpression et mener a l'explosion.

c) Pourquoi la goutte flotte

La tension superficielle est ce qui permet à la goutte de rester en lévitation sur le bain liquide.
Il s'agit du même phénomène lorsqu'une pièce se maintient à la surface d'un liquide ou à certains insectes de marcher sur l'eau


Pièce sur de l'eau

La tension superficielle est le résultat de l'augmentation de l’énergie a la surface d'un liquide, ce qui augmente localement sa cohésion et permet au liquide de compenser le poids de l'objet.


III) Calcul des caractéristiques

Il faudra d'abord séparer l’expérience en 2 cas distincts:

  • Petites gouttes (forme quasi sphérique)
  • Grosses gouttes (forme de crêpe, aplatie)

Calcul théorique de l'épaisseur du film:

Soit un film compris entre -e/2 et e/2:



Dans la littérature, on trouve pour l'expression du film de vapeur:




1) Petite goutte
2) Grosse goutte

https://hal.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/48240/filename/tel-00009730.pdf



Nous essaierons de vérifier si ces formules sont aussi en accord avec l'effet Leidenfrost sur liquide.
Avec:



La Longueur Capillaire








Deux forces s'appliquent sur la goutte:
  • La tension de surface: pour minimiser cette force, la goutte prendra la forme d'une sphère car c'est la surface minimale à volume constant.


  • La pesanteur: pour minimiser cette force et donc l'énergie potentielle de pesanteur, la goutte prendra la forme d'un palet, afin de la répartir le plus possible.


Plus le rayon de la goutte sera élevé par rapport à sa longueur capillaire, plus, la gravité l'emportera sur la tension superficielle. La goutte prendra alors l'aspect d'un palet, (d'une flaque) et perdra sa géométrie sphérique.





Tension de surface*Surface


IV) Projet d’expérience et produits à utiliser

Pour notre projet nous allons nous intéresser à la caléfaction d'une goutte sur une surface liquide. Le bain liquide va jouer le même rôle que la surface solide et permettre à la goutte de rester en suspension au dessus du bain. Cela a ses avantages ainsi que ses inconvénients. Par exemple, il n'y aura plus de problème d'imperfection de la surface. Cependant cette même surface étant moins rigide qu'une surface solide, le film de vapeur sous la goutte va la déformer. (comme ci dessous)

(↓)

Comment:

Les flèches indiquent les mouvements de convection thermique

Cela nous donne une difficulté supplémentaire pour déterminer la hauteur de film de vapeur sous la goutte avec une caméra.


Goutte sur une surface liquide par Gregor Kostevc
 

Cependant grâce à celle-ci nous pourrons aussi mesurer facilement la durée de vie de la goutte grâce a une caméra ( plus précis que le chronomètre) ainsi que le rayon de la goutte au fur et à mesure de l'expérience et comparer ces données à celles faites avec une surface solide.
Nous pouvons aussi mettre quelques hypothèse sur la différence entre les expériences sur surface solide ou liquide. Notamment sur la durée de vie de la goutte. En effet parce que la surface du liquide se déforme cela offre une plus grande surface de contact avec la goutte ou du moins une plus grande surface à couvrir pour le film de vapeur. On s'attend donc à ce que la durée de vie de la goutte soit plus faible que sur un solide.

Nous pourrons utiliser différents couples de liquides par exemple une goutte d'azote sur bain d'eau à température ambiante (voir légèrement refroidi pour permettre à la goutte de vivre plus longtemps) et gouttes d'éthanol sur un bain d'huile de silicone.

a) Mesure de l'épaisseur du film de vapeur



Plusieurs méthodes pour trouver l'épaisseur du film de vapeur.

La première, et la plus simple, serait de pouvoir colorer la goutte pour pouvoir l'observer a travers un bain transparent. Ainsi, grâce a une caméra nous pourrons voir la différence de hauteur entre la goutte et le bain et donc déterminer l'épaisseur du film de vapeur.


Vue latéral d'une goutte en caléfaction (le film est visible entre la plaque et la goutte (en blanc ici))

Nous pouvons aussi utiliser une nappe laser d'avoir une meilleur observation d'un plan de la goutte. Dans ce cas la il faudra impérativement que la goutte ne bouge pas. Pour ce faire nous pouvons piéger la goutte en utilisant une petite tige quelconque qui sera positionner légèrement enfoncée dans la partie supérieure de la goutte. La nappe laser permet d'observer un plan dans lequel nous verrons nettement la goutte et le bain, permettant de la différencier et de voir la couche de vapeur entre les deux.

On pourra si besoin colorer la goutte ou le bain.
La nappe laser peut être fabriquée a l'aide d'un laser qu'on envoie sur une lentille cylindrique.


Montage pour nappe laser

La seconde méthode consisterait à utiliser les interférences pour observer la figure produite et déterminer l'épaisseur. Pour cela nous pourrons nous inspirer du montage ci dessous fait pour une goutte sur une surface solide.


Mesure du film par interférence . Thomas A Caswell

Cette méthode marche très bien avec une surface solide mais risque de poser problème avec une surface liquide étant donné que cette dernière à tendance à se déformer sous la goutte n'offrant plus de surface lisse pour permettre des interférences correctes.

La dernière méthode serait d'utiliser la diffraction par le film de vapeur, comme décrit sur ce shéma :


Diffraction par un faisceau laser


En utilisant:

où a = eo (épaisseur du film), i = interfrange, lambda0 = longueur d'onde du laser

Mais la encore, la surface liquide déformable rend l’expérience irréalisable, celle ci demandant une grande précision car le faisceau laser doit traverser littéralement le film ce qui est impossible si la surface est déformée (le faisceau traversera le bain d'eau).

b) Mesure du temps de vie de la goutte



Une deuxième expérience à réaliser est la mesure du temps de vie de la goutte en fonction de la température du bain. Afin si possible de déterminer la température de Leidenfrost du liquide de la goutte.
Avec l'azote et le bain d'eau cela ne sera pas possible car il faudrait refroidir le bain d'eau à des température négatives (Leidenfrost sur de la glace ?).
En revanche avec des gouttes d'éthanol sur un bain d'huile de silicone, on peut tout à fait observer l'évolution du temps de vie de la goutte en partant d'un bain à température ambiante(donc pas d'effet Leidenfrost sur l'éthanol) et en augmentant sa température progressivement. On déterminera ainsi la température de Leidenfrost de l'éthanol sur un liquide (idem que pour un solide ?)
On pourra aussi mesurer l'évolution en temps du rayon de la goutte, on trouve dans la littérature:

Nous aurons besoin d'une source de chaleur pour faire chauffer le bain d'une caméra (pour déterminer avec précision l'instant d'évaporation totale de la goutte) et d'un logiciel afin de récupérer le film et de le chronométrer.

c) Vérification de l’absence de frottements


Il suffira juste de donner une vitesse initiale à la goutte (Vo) et de mesurer la différence avec la vitesse mesurée un peu plus loin dans le bac (Vexp)



Nous aurons besoin ici d'une source de chaleur et d'une caméra.



Matériel nécessité:

  • Source de chaleur
  • Caméra aussi précise que possible
  • Logiciel pour la caméra
  • Laser
  • Lentille sphérique pour nappe laser
  • Différents liquides de viscosités différentes (cf plus bas)



d) Modifications possibles pour l'expérience

Pour la suite nous pourrons modifier certains paramètres de l'expérience pour avoir d'autres données. Par exemple si nous pouvons modifier la viscosité du bain nous pourrons observer ce qui se passe lorsque la viscosité devient plus faible et donc le bain de plus en plus fluide. Ou au contraire lorsque la viscosité augmente. Nous avons aussi penser a utiliser d'autres liquides pour nos expériences.

D'autres choses peuvent être observables pour comparer avec la surface solide, comme le déplacement de la goutte. Grâce a la surface liquide, nous aurons sans doute aussi plus de facilitée a observer l’échappement du film de vapeur.

Il y a déjà certains paramètres dont nous pouvons imaginer l'impact sur l'expérience. Par exemple la viscosité. Plus la viscosité augment plus cela se rapproche d'un solide car la surface devient moins déformable. Tandis que lorsque le bain deviendra trop fluide, la goutte risque de plonger dans le bain à la manière d'une trempe d'un métal. Nous pouvons aussi mettre quelques hypothèse sur la différence entre les expériences sur surface solide ou liquide. On pourra aussi inverser l’expérience et lâcher une goutte (d'eau) sur un bain moins dense (azote) afin de simuler une trempe.


Silicone oil : flash point 316°C Bain de -50 à 200°C
http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/85409?lang=fr&region=FR
http://www.clearcoproducts.com/pdf/bath-fluids/MSDS-PSF-20cSt-Bath-Fluid.pdf

Azote : Point d'ébullition: -195°C Masse volumique = 0.8 Kg/L

Éthanol : Point d'ébullition: 78°C Masse volumique = 0.790 Kg/L

Glycérol : Point d'ébullition: 290°C Masse volumique: 1.26 Kg/L

HFE : Ébullition de 50 à 100°C Masse volumique: 1.4-1.5 Kg/L (peut être pas utile)

''Glace carbonique liquide à -20°C et solide à -78°C''

''Aluminium (pour le miroir): Point de fusion à 660°C:)'' (peut être pas utile)

V) Bibliographie


Documentation et Images
http://mafija.fmf.uni-lj.si/seminar/files/2011_2012/1-leidenfrost.pdf
http://arxiv.org/pdf/1401.4424v1.pdf
http://cortial.net/fichiers/X-ENS13physiqueB-pc-off.pdf
https://tel.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/48240/filename/tel-00009730.pdf
http://archimede.bibl.ulaval.ca/archimede/fichiers/25190/ch02.html
https://fr.wikipedia.org/wiki/Tension_superficielle
http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/claude_saintblanquet/synophys/133exmso/133exmso.htm



Expérience en vidéo:

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Page last modified on May 10, 2016, at 10:51 AM