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Le mystère de l'ébullition : pourquoi l'eau se transforme-t-elle comme par magie en vapeur à 100°C
L'ébullition, également connue sous le nom de gazéification, est la transformation rapide d'un liquide en gaz ou en vapeur. L'opposé de ce processus est la condensation. L'ébullition se produit à la condition que lorsqu'un liquide est chauffé jusqu'à son point d'ébullition, la pression de vapeur de ce liquide est égale à la pression exercée sur le liquide par l'atmosphère environnante. Comprendre le processus d’ébullition implique non seulement des connaissances scientifiques, mais affecte également de nombreux aspects de notre vie quotidienne.
L'ébullition et l'évaporation sont les deux principales formes d'évaporation des liquides.
Le point d'ébullition de l'eau est généralement de 100°C (212°F), mais à des altitudes plus élevées, ce point est réduit en raison de la pression atmosphérique plus basse. L’eau bouillie est largement utilisée pour la cuisson et la désinfection, par exemple pour tuer les micro-organismes et les virus présents dans l’eau. La sensibilité de nombreux micro-organismes à la chaleur est différente, mais dans des circonstances normales, maintenir l'eau à 100°C (une minute) rend la plupart des micro-organismes et virus inefficaces, et à 70°C (158°F), dix minutes suffisent également pour inactiver la plupart des bactéries.
Type d'ébullition
Convection libre
Pendant le processus d'ébullition, seule la convection naturelle se produit si le débit de chaleur est plus faible, ce qui est dû à la montée du fluide plus chaud en raison de sa densité légèrement inférieure. Dans ce cas, la température du fluide à proximité de la surface chaude est proche du point d'ébullition.
Les bulles bouillonnent
L'ébullition à bulles est caractérisée par la formation de petites bulles à partir de points discrets sur la surface chaude qui augmentent avec l'augmentation de la température. Une formation efficace de bulles nécessite l’aide d’une rugosité de surface ou d’additifs, qui peuvent favoriser l’ébullition des bulles sur une plage de températures plus large.
Flux de chaleur critique
Le flux de chaleur critique fait référence à une forte réduction de l'efficacité du transfert de chaleur due à une accumulation excessive de bulles lorsque la température de surface dépasse la valeur critique, entraînant une surchauffe locale de la surface chauffée. Le film de vapeur formé pendant le processus d’ébullition réduit considérablement les pertes de chaleur.
Ébullition de transition
L'ébullition de transition est un état stationnaire entre l'ébullition à bulles et l'ébullition à couche mince, au cours duquel des bulles se forment et cachent la complexité de divers phénomènes physiques.
Faire bouillir le film
Le cas de l'ébullition en couche mince se produit lorsque la température de la surface chauffante est nettement supérieure à celle du liquide, formant un film de vapeur à faible conductivité thermique, qui isole la surface, ce qui rend la propagation thermique de l'eau plus difficile.
L'ébullition est un processus physique complexe impliquant l'interaction de diverses variables et forces.
Effet des formes géométriques
Faire bouillir dans la piscine
L'ébullition en piscine fait référence à l'ébullition en l'absence de convection forcée. Le débit est dû aux gradients de densité, ce qui signifie que les fluides peuvent entrer dans différents modes d'ébullition de différentes manières.
Ébullition en flux
L'ébullition en flux, en revanche, doit se produire lors de la circulation du fluide et est couramment observée lors du fonctionnement des pompes et des caloducs. L'efficacité de conduction thermique de l'ébullition fluide est étroitement liée à l'interaction des bulles et possède un excellent effet d'échange thermique.
Ébullition restreinte
Dans les géométries contraintes, le coefficient de transfert thermique d'ébullition est généralement plus élevé, et le processus de formation de petites bulles effectué dans cet environnement a un impact majeur sur l'efficacité du transfert thermique, ce qui est particulièrement important dans le refroidissement électronique.
La physique de l'ébullition
Le point d'ébullition d'une substance à une pression spécifique est une propriété caractéristique de cette substance. Cela est particulièrement évident pour les composés simples comme l’eau, où la température du liquide bouilli restera inchangée pendant un processus d’ébullition régulier lorsque la pression environnante est fixe.
Application de l'ébullition dans la vie
Refroidissement et climatisation
La plupart des méthodes de réfrigération et certains systèmes de climatisation fonctionnent en comprimant le gaz en un liquide, puis en le laissant bouillir pour absorber la chaleur de l'environnement.
Traitement de l'eau potable
Faire bouillir l'eau est le moyen le plus ancien et le plus efficace de désinfecter l'eau, en particulier dans les environnements dépourvus d'autres sources d'eau propre. Ce procédé nécessite de chauffer l'eau à 100°C pour éliminer la plupart des bactéries et virus.
Cuisine
L'ébullition est également une méthode couramment utilisée en cuisine, qu'il s'agisse de la cuisson, de la cuisson à la vapeur ou de la noyade. Le temps d'ébullition augmente en conséquence dans les environnements à haute altitude car le point d'ébullition de l'eau change avec le changement de pression barométrique.
Lorsque l'eau est chauffée jusqu'au point d'ébullition, il est difficile d'imaginer que derrière elle se cachent autant de mystères de la physique qui ont un impact profond sur notre vie quotidienne. Vous êtes-vous déjà demandé comment cette riche science de l’ébullition change nos vies ?
