Ballon et azote liquide - manip n°2

Expérience n° : 2

Titre : Ballon et azote liquide

Thème : l'air / la thermodynamique

Objet : Condensation et dilatation de l'air en fonction de la température.

Niveau : tous niveaux

Auteur de la fiche : frederic.louradour@xlim.fr

Matériel :
azote liquide à -196°C en réserve dans une bouteille thermostatée / une bassine en plastique où verser l'azote / un ballon de baudruche gonflable.

Protocole :
N.B. : ces manipulations se déroulent à l'extérieur du Scientibus (voir Mesures de sécurité).
On appuie le ballon gonflé sur la surface de l'azote liquide. On assiste rapidement au dégonflage du ballon. L'air qui se trouve à l'intérieur du ballon, refroidi par le contact avec l'azote liquide qui est à -196°C, se condense et occupe un volume tout petit. Le ballon dégonflé ressemble à une crêpe.

Pour le regonfer il suffit de le sortir de la bbassine d'azote : en quelques seconde, au contact du milieu ambiant extérieur, il retrouve son volume initial car l'air qui est emprisonné à l'intérieur (qui n'avait pas disparu) se dilate en se réchauffant.

Mesure de sécurité :
L'azote liquide qui est à -196 °C ne doit pas rester en contact avec la peau sous peine de brulures ; un contact prolongé avec la peau conduit à des brûlures (brûlures par le froid dites cryogèniques). Cette expérimentation doit se dérouler en plein air ce qui évite tout risque de diminution de la portion d'oxygène dans l'air environnant. Plonger un doigt dans l'azote liquide est en fait peu dangereux. Par contre le contact avec un objet métallique plongé dans l'azote liquide l'est.

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Commentaires :
L'air qui se trouve dans le ballon est composé de molécules toutes petites et en très très grand nombre. Ces molécules (d'oxygène et d'azote) sont tellement petites qu'on ne les voit pas. La distance moyenne qui sépare ces molécules est grande et ces molécules sont libres de se déplcer dans l'espace ce qui forme ce que l'on appel un gaz.

Pour comprendre l'expérience précédente, on peut imaginer que ces molécules se comportent un peu comme de tout petits moustiques. L'air qui se trouve dans le ballon c'est alors comme un nuage de moustiques qui volent en tout sens. On parle d'agitation thermique. Les moustiques en très très grand nombre viennent frapper les paroies du ballon. Il y a un très très grand nombre de moustiques ; il y a donc un très très grand nombre de chocs de moustiques sur le ballon : ainsi le ballon se gonfle sous l'effet de ces chocs répétés.
Lorsqu'on met le ballon en contact avec l'azote on refroidit le nuage de moustiques. Ceux ci se ramolissent, s'endorment, hibernent et progressivement arrêtent de voler. On peut imaginer qu'il se posent au fond du ballon qui n'est maintenant plus gonflé par les chocs des moustiques qui ne volent plus. L'agitation thermique est alors très faible. Les moustiques qui se trouvent au fond du ballon sont alors agglutinés les uns sur les autres. Ils occupent un volume bien plus petit que lorsqu'ils volaient en tout sens. En s'agglutinant les uns sur les autres ils forment peut etre ce que l'on appel un liquide : de l'air liquide !

Lorsqu'on sort le ballon du bain d'azote celui-ci se réchauffe. Les moustiques se réchauffent. Ils se réveillent et reprennent leur vol en tout sens ; le ballon se regonfle.

Expérience(s) voisine(s) :
- Lévitation par supraconductivité (manip n°1).


- Condensation du dioxygène à l'aide d'un cône métallique rempli d'azote liquide ; combustion de braises ardentes dans le flux d'oxygène liquide ainsi fabriqué :


- La caléfaction ou comment marcher sur des braises ardentes sans se bruler ! (voir l'effet Leidenfrost en bas de page de ce site web)

Combustion d'une braise ardente dans un flux d'oxygène liquide (Merci à nos amis des Aramis pour cette superbe manip !)

Applications liées à l'expérience :
Traitement des verrues par brulures cryogéniques.

Conservation de vaccins.

Conservation d'organismes vivants en biologie.

Surgélation d'aliments.

Cryobroyage : broyage de métaux, caoutchouc, etc...

Effets spéciaux : brouillards artificiels pour les spectacles.


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