Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

 

     Le principe de l'autocuiseur



 

logo azote         L'azote (ou plutôt le diazote d'après les chimistes: N2) est un gaz très abondant sur Terre. Il constitue environ 80% de l'air que l'on respire. Il est donc totalement inoffensif, n'intervient pas dans les combustions (au contraire du dioxygène) et est finalement assez peu réactif. On trouve parfois de l'azote liquide. C'est un liquide cryogénique, qui sert à obtenir de très basses températures (jusqu'à près de -200°C). Voyons un peu comment cela est possible, ainsi que son étonnant comportement physique.

Tout d'abord, comment, à partir de l'air, obtenir de l'azote liquide ?

    Par refroidissement, mais surtout par compression. Le but étant de rapprocher les molécules et de les ralentir. On finit alors par se retrouver avec un liquide constitué par un mélange d'azote, d'oxygène et de tous les gaz présents dans l'air. Pour ne récupérer que l'azote, il faut distiller le mélange liquide.

        Comment le conserver?

        Dans des bouteilles d'acier, scellées à parois épaisses. Car l'azote de souhaite qu'une chose, repasser à l'état gazeux, qui occupe un volume 1000 fois plus grand que le liquide. Il existe un autre moyen très utilisé dans les laboratoires, surtout lorsqu'on se sert de petits volumes à chaque fois: c'est le vase Dewar, une sorte de bouteille thermos en fait, non scellée et sans bouchon vissant... Le liquide peut ainsi se maintenir plusieurs jours avec peu de pertes. La raison en est simple, mais étonnante néanmoins. En effet, l'azote passe de l'état liquide à l'état gazeux (il bout!) à -196°C. Dans une pièce à 20°C, il se met donc à bouillir, mais lors de ce changement d'état, sa température reste constante. Comme pour l'eau, tant qu'elle est en ébullition, elle est à 100°C. Ainsi, dans la bouteille thermos, on a une lente ébullition, au cours de laquelle l'azote reste à -196°C...
Azote en ébullition... A -196°C! ©Rob in Space

 

Quel est ce brouillard qui flotte et semble couler au dessus d'un récipient d'azote liquide?

Du brouillard autour de l'azote © Rob in Space
       Toujours impressionnant ce nuage au dessus du récipient, qui s'accentue encore lorsqu'on souffle dessus. En fait, il s'agit de la vapeur d'eau, présente dans la pièce, qui, à basse température se condense, et congèle. Le nuage est constitué par de minuscules gouttelettes d'eau et flocons de neige...

 

        Quand on en verse sur le sol, des gouttes persistent assez longtemps, et glissent sur le sol sans le mouiller, pourquoi ça?

       Le carrelage est terriblement chaud pour une goutte d'azote liquide. Sa face inférieur se met à bouillir, libère donc de l'azote gazeux, qui soulève le globule de liquide. Il se met alors à flotter sur un coussin de gaz. Cela s'appelle l'effet Leidenfrost.  .Flotter sur un coussin de gaz...

        Et si je mets le doigt dans l'azote liquide? C'est dangereux?

        Hum!... C'est à presque -200°C tout de même, pas de quoi être tenté? Si?... En fait, si on plonge le doigt peu de temps, il s'enveloppe d'un manteau protecteur d'azote gazeux qui l'isole en partie du froid. Mais il ne faut pas trop traîner. L'azote liquide sert à brûler des cellules comme des verrues par exemple...

        Des expériences rigolotes à faire avec de l'azote liquide?

        Il y en a plein, toutes sont spectaculaires:

            Un vase versé au sol libère un intense brouillard, surprend les gens, et fait courir d'étranges gouttes au sol.

            Un élastique, du caoutchouc ou une gomme dans l'azote deviennent cassants comme du verre, mais redeviennent souples à la température ambiante.

            Une fleur ou des feuilles se brisent au moindre choc.

            On peut enfoncer un clou avec une banane suffisamment congelée (attention, elle devient aussi assez cassante)

            De l'azote dans un récipient gonfle un préservatif fermant le goulot. Normal, le gaz libéré occupe bien plus de place que le liquide.

            Des métaux souples comme l'étain ou le plomb deviennent fragiles.

            Du soufre, habituellement jaune, devient blanc.

Aimant lévitant au-dessus d'une plaquette supraconductrice ©Rob in Space
            Et pour finir, si vous pouvez vous en procurer, la lévitation d'un aimant sur une plaquette supraconductrice est fascinante à observer. L'aimant est supporté par ses propres lignes de champ magnétique, repoussées par la plaquette. Et si vous soulevez prudemment l'aimant, la plaquette monte aussi... Les physiciens disent qu'un courant se forme dans la plaquette, qui, par ses effets magnétiques, s'oppose à la cause qui lui a donné naissance. Joli, non?...

 

 

                ATTENTION: Autant, mettre le doigt dans l'azote est relativement sans danger, autant il faut éviter de toucher à main nue des objets ayant séjourné à aussi basse température. Méfiez vous surtout du verre ou des métaux. Vous risquez de rester coller et de perdre un peu de peau...

Pourquoi un glaçon colle aux doigts, sitôt sorti du congélateur?

Le glaçon, ça colle...
    La sensation est désagréable, et l'on risque même de s'arracher un petit bout de peau si l'on est pressé de s'en débarrasser...

    Notre doigt réchauffe une très mince couche de la surface du glaçon, qui devient liquide. Mais c'est temporaire, le reste du glaçon recongèle l'eau qui s'est immiscée dans les ridules de notre peau, et on est collé. C'est encore pire si notre peau est très légèrement humide.   

    Heureusement, la chaleur de notre corps finit par gagner, et refait fondre la surface, aidé par la température ambiante, on peut se libérer.

    Si l'on est dans un lieu très froid, comme aux pôles par exemple, et que l'on touche un métal (donc conducteur de chaleur), on peut y rester accroché très efficacement. Le verre, très lisse peu présenter le même problème. La séparation risque d'être douloureuse, il est même possible d'y laisser son épiderme, ou des parties plus importantes de son corps... Et à plus basse température, c'est encore pire.

 

Sur l'effet Leidenfrost (caléfaction)

            Sur une plaque chauffante brûlante, des gouttes d'eau roulent comme des billes et mettent assez longtemps à s'évaporer, plus de temps que lorsque la plaque est moins chaude. Comment cela se fait-il?

            Regardons des gouttes de diverses tailles:

Une goutte d'eau flottante, avachie sous son propre poids
   Cette goutte est assez grosse, elle prend une forme de pastille aplatie. Des bulles de vapeur sont visibles sur sa partie inférieur, en fait, elle ne touche même pas la plaque.
  Ces gouttes sont plus petites, leur poids n'est plus suffisant pour s'opposer à la tension superficielle. Cette dernière force cherche à minimiser la surface de la goutte, elle devient alors sphérique.
Les gouttes deviennent de petites billes
Les grosses gouttes prennent de curieuses formes
   Les très grosses gouttes, surtout sur les surfaces moins régulières, se fractionnent en petites billes d'eau bien rondes.
   En fait, un coussin de vapeur se forme sous la goutte, et la soutient. De plus, cette vapeur isole le reste de la bille de la plaque, elle s'évapore moins vite que si le contact était plus étroit. Ce joli phénomène porte le nom d'effet Leidenfrost.
l'effet Leidenfrost
Point de Leidenfrost ©Jearl Walker
  Voici la durée de vie de gouttes d'eau calibrées qui tombent sur une plaque chauffante. C'est vers 200°C que l'effet Leidenfrost est le plus marqué, c'est à dire que c'est la température à laquelle le coussin de vapeur est le plus efficace pour protéger la goutte. Cela peut servir à tester la température d'une poêle à crêpes: quand les gouttes d'eau courent à sa surface, alors la pâte pourra être bien saisie...

                On observe des gouttes coureuses semblables en répandant de l'azote liquide à -200°C sur un sol à 20°C...