Principe du vide

En 1643, Evangelista Torricelli met en évidence pour la première fois l’existence du vide. Il utilise un tube de verre d’environ un mètre de long, scellé à une extrémité. Il le remplit de mercure, recouvre l’extrémité ouverte et le renverse au-dessus d’une bassine elle aussi remplie de mercure.

Evangelista Toricelli, John Caroll University

Le mercure dans le tube tombe et se stabilise à un niveau d’environ 76 centimètres au-dessus du niveau de la bassine. Torricelli supposa à juste titre que le mercure montait dans le tube en raison du poids de l’atmosphère qui pesait sur le mercure de la bassine, et que l’espace au-dessus de la colonne de mercure était sous vide. C’était la première fois qu’un vide était créé en laboratoire, et compris comme tel.

L’expérience de Toricelli, Wikipedia

Le vide parfait est donc un volume dépourvu de matière, dans lequel la pression est infiniment basse. Dans la réalité, un vide peut être complet ou partiel. En effet, il est extrêmement difficile de s’approcher du vide parfait comme on peut le voir dans le tableau ci-dessous.

Table 1: Comparaison de la pression et du nombre de molécules par cm3 dans différents milieux

	Pression [kPa]	Nombre de molécules par cm3
Atmosphère terrestre	101.3	2.5*10^19
Aspirateur ménager	80	10^19
Cloche à vide	7	10^18
Vide le plus parfait obtenu en laboratoire	1.3*10^-14	10^4
Espace interplanétaire	0	11
Vide parfait	0	0

Expériences

Pour visualiser les effets du vide, il est possible de réaliser quelques expériences simples à l’aide d’une cloche à vide.

Eau sous vide

On place une coupelle d’eau sous la cloche, puis on commence à faire le vide. Au bout d’un moment on constate que l’eau se met à bouillir. Comment ça se fait ?

Chaque liquide possède ce que l’on appelle une pression de vapeur, qui reflète la tendance des molécules à se séparer les unes des autres et à former un gaz. Le point d’ébullition est la température à laquelle la pression de vapeur d’un liquide est égale à la pression ambiante. La pression et la température sont directement proportionnelles. En effet, à pression atmosphérique, il faut chauffer l’eau à 100 degrés Celsius pour atteindre une pression de vapeur égale à la pression ambiante, et donc le point d’ébullition.

Lorsque nous faisons le vide (pression inférieure à la pression atmosphérique), la pression de vapeur de l’eau atteint la pression ambiante plus tôt et donc bout à une température inférieure à 100 degrés Celsius. Sous la cloche à vide, la pression est tellement basse, que l’eau se met à bouillir à température ambiante.

Le plomb et la plume

Observons la formule de la vitesse de chute d’un objet en chute libre : v = √[2×g×h] en m/. On constate que la vitesse d’un corps en chute libre est indépendante de la masse de celui-ci. Elle dépend uniquement de l’accélération du champ de pesanteur auquel il est soumis. Cependant, lorsque l’on lâche une plume et un objet métallique en même temps, l’objet métallique tombe bien plus vite. C’est à cause de la résistance de l’air.

Pour éliminer la résistance de l’air, on refait l’expérience sous vide, et on constate que les deux objets tombent à la même vitesse malgré leur différence de masse. Cela confirme bien que la vitesse d’un corps en chute libre est indépendante de la masse de celui-ci.

Illustration par Ec. Jean de la Bruyère

Le transfert de liquide

Une fiole, partiellement rempli d’eau colorée, est fermé hermétiquement par un bouchon à travers lequel passe un tube de verre en forme de U. L’autre extrémité du tube est insérée dans un bécher. L’ensemble du système est placé sous la cloche à vide. La fiole étant hermétiquement close, l’air ne s’en échappe pas. La baisse de pression au sein de la cloche provoque une surpression à la surface du liquide coloré, et le pousse de la fiole vers le bécher. Lorsque l’air est réintroduit dans la cloche à vide, l’eau retourne dans la fiole

Réflexion supplémentaire : Un travail est effectué en soulevant le liquide d’avant en arrière dans le système. Quelle est la source de ce travail ?

Réponse : L’air au sein de la fiole subit une détente (son volume augmente et sa pression diminue). Le travail reçu de la part des forces de pressions extérieures par un système thermodynamique qui voit son volume varier de dV vaut : .

Ainsi:

Si dV>0(le volume augmente) : Le travail est négatif (le gaz se détend et fournit du travail à l’extérieur, ici le liquide)
Si dV<0 (le volume diminue) : Le travail est positif (le gaz reçoit de l’énergie sous forme de travail)

Expérience du transfert de liquide,par Demos

Guimauve sous vide

Grâce à la cloche à vide, nous pouvons voir comment des guimauves réagissent lorsque l’air est aspiré hors de leur récipient.

Des minuscules bulles d’air sont emprisonnées à l’intérieur des guimauves. Ces bulles sont à la pression atmosphérique. Lorsque l’air contenu dans la cloche est retiré, le volume ne change pas, mais la quantité d’air à l’intérieur diminue. Les bulles d’air à l’intérieur des guimauves sont donc à une pression beaucoup plus élevée que l’air entourant les guimauves, ce qui provoque l’expansion des guimauves. Lorsque l’air est réintroduit dans la cloche, la pression ambiante augmente à nouveau et les guimauves reprennent leur taille normale…

Guimauve sous vide, Youtube

Transmission du son

Une onde mécanique se propage uniquement à travers un milieu physique liquide, gazeux ou solide. Dans le vide il n’a pas de support pour la transmission de ces ondes mécaniques, il est donc impossible pour le son de se propager. En revanche, les ondes électromagnétiques, elles, peuvent se propager, car elles n’ont pas besoin de support pour se déplacer – par exemple : la lumière, qui se propage sous forme d’onde électromagnétique.

Schéma de la sonette sous cloche à vide

Gonflage d’un ballon

Un ballon est partiellement rempli et placé sous la cloche à vide. Au début, il y a de l’air à l’intérieur du ballon qui pousse vers l’extérieur et de l’air à l’extérieur du ballon qui pousse vers l’intérieur. Lorsque nous retirons l’air à l’extérieur du ballon, l’air à l’intérieur continue de pousser sur les parois. En conséquence, le ballon se dilate jusqu’à exploser.