Qu’est-ce que le vide ? – WUS #14

Bonjour à tous !

Cette semaine, on va s’intéresser à la notion de vide, ce qui va notamment nous amener à introduire un peu la notion de pression, et on va voir quelles peuvent en être les applications !

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La galaxie naine ESO 540-31

Qu’est-ce que le vide ?

Le vide, on voit tous à peu près ce que c’est, même si ça peut être un peu difficile à définir. On associe souvent le vide à l’espace, à l’absence de matière. L’idée est là, mais on va essayer de définir le vide un peu plus quantitativement, et pour cela, on va introduire la notion de pression.

Prenons un récipient fermé contenant un certain nombre de particules.

pression

Les particules contenues dans ce récipient ne sont pas immobiles, peuvent s’entrechoquer entre elles (mais on va négliger ce phénomène) mais aussi interagir avec les parois du récipient. Lorsqu’une particule vient rebondir sur une paroi du récipient, la paroi ressent une force. Cette force, rapportée à une unité de surface, correspond à la pression. Autrement dit, la pression est une force exercée par unité de surface, ici la force exercée par les particules sur la paroi. On notera que la pression est une grandeur scalaire, et que la force de pression (grandeur vectorielle cette fois-ci) s’exerce toujours orthogonalement à la paroi.

Si on fait un peu d’analyse dimensionnelle (voir ici pour le billet sur le sujet), on a [Pression]=[Force]/[Surface], soit [Pression]=\frac{M.L.T^{-2}}{L^{2}}=M.L^{-1}.T^{-2}.

Le Pascal est l’unité SI (l’unité du système international) de la pression, c’est-à-dire que si on exprime toutes nos grandeurs à partir des unités de base du système international, on obtiendra la pression en Pascal. Il existe d’autres unités qui permettent de quantifier la pression, comme :

  • Le bar : on l’utilise souvent pour exprimer la pression des pneus. 1 bar = 10^{5} Pa.
  • L’atmosphère. 1 atm = 101325 Pa (le fameux 1013 hPa de la météo :), la pression de référence de l’atmosphère)

Et bien d’autres.

Grâce à la pression, on est en mesure de caractériser le vide : le vide est de plus ou moins bonne qualité selon sa pression (on parle de vide primaire, vide secondaire, ultravide, etc.).

Une première expérience sur le vide

Considérons un ballon de baudruche légèrement gonflé et bien étanche. On le place sous une cloche en verre, une cloche à vide, et on fait le vide, c’est-à-dire que, à l’aide d’une pompe à vide, on enlève l’air contenu dans la cloche à vide. Que constate-t-on ? On remarque que le ballon a gonflé ! Pourtant, on n’a pas gonflé le ballon, on a juste enlevé l’air de la cloche à vide qui entourait le ballon. Mais alors, que s’est-il passé ?

ballon_1ballon_2

Pour comprendre, replaçons-nous dans l’atmosphère. Lorsqu’on gonfle un ballon, on constate que du fait de l’air que l’on introduit dans le ballon, sa membrane se déforme et devient plus grande. L’air exerce ainsi une force sur la membrane du ballon, une force de pression, et c’est cette force qui déforme la membrane du ballon. Mais l’air ambiant, l’air qui entoure le ballon, exerce aussi une force sur la membrane du ballon. A l’équilibre, la force de pression exercée par l’air à l’intérieur du ballon sur la membrane est égale à la force de pression exercée par l’air ambiant situé à l’extérieur du ballon sur cette même membrane.

Maintenant, si on enlève un peu d’air de la cloche à vide, la pression à l’extérieur du ballon diminue. La pression à l’intérieur du ballon devient supérieure à celle de l’extérieur. La force (par unité de surface), autrement dit la pression, exercée par l’air à l’intérieur du ballon devient supérieure à celle exercée par l’air à l’extérieur du ballon. La membrane se déforme donc, devient plus grande, jusqu’à ce que la pression à l’intérieur du ballon soit égale à la pression à l’extérieur du ballon.

Au final, pour avoir équilibre de pression, la surface du ballon a augmenté, ce qui a eu pour conséquence de diminuer la pression à l’intérieur du ballon, mais aussi de diminuer la surface disponible pour l’air situé dans la cloche à vide. Seule la quantité d’air contenue dans la cloche à vide a changé, celle contenue dans le ballon (supposé étanche) est restée la même.

Bien sûr, le phénomène de déformation d’une membrane dans le vide dépend de sa résistance. On peut en effet remarquer que le verre de la cloche à vide ne s’est pas déformé (ou alors de manière non visible à l’œil nu) lorsqu’on a fait le vide. Et pourtant la différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur de la cloche à vide est la même que celle entre la pression de la cloche à vide et celle du ballon avant qu’il « se gonfle ».

Une question légitime qu’on pourrait se poser est alors : que se passe-t-il si quelqu’un, appelons le Bob, va dans l’espace sans combinaison (tout en ayant de quoi s’oxygéner) ? Il faut tout d’abord savoir que l’idée de Bob n’est pas très bonne. Bob perdrait sa ligne (il pourrait atteindre jusqu’à deux fois son volume d’origine), ses fluides corporels se mettraient à bouillir et il serait soumis aux radiations solaires sans aucune protection. Alors Bob, si tu nous lis, il serait plus raisonnable de renoncer à tes projets et de lire la suite du billet !

Une application du quotidien : la ventouse

Pourquoi une ventouse colle-t-elle ? C’est une question de pression ! Considérons une surface plane horizontale. Si on pose une ventouse dessus sans appuyer dessus, la pression de l’air située dans le creux de la ventouse est la même que la pression de l’air située à l’extérieur de la ventouse : la ventouse ne colle pas. Maintenant, si on appuie sur la ventouse, cela va avoir pour effet d’expulser une partie de l’air en dehors du creux de la ventouse, un peu comme si on faisait le vide : la pression dans le creux de la ventouse va devenir inférieure à celle de l’extérieur. L’air ambiant va appuyer sur la ventouse, ce qui va avoir tendance à faire adhérer la ventouse sur la paroi.

ventouse

Mais alors, pourquoi une ventouse ne colle-t-elle pas tout le temps ? C’est une question d’étanchéité ! S’il y a la moindre fuite, l’air entre directement à l’intérieur de la ventouse, les pressions se rééquilibrent et la ventouse ne colle plus. Une ventouse adhérera donc très mal sur une surface rugueuse par exemple.

 

C’en est fini pour ce billet ! Bien sûr, le vide a beaucoup d’autres applications, que l’on retrouve (ou pas) dans la vie de tous les jours, par exemple dans les microscopes à force atomique (AFM). Et inversement, le fait d’augmenter la pression dans un récipient a aussi ses intérêts : par exemple, l’autocuiseur qui permet d’augmenter, du fait de la pression, la température d’évaporation de l’eau !

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