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Vue thermographique du "faïençage" de l'eau et passage en micro-cyclone
Bonjour, dans le cadre de la thermographie, j’ai voulu photographier le mouvement brownien au sein d’une masse d’eau chaude. Je vais ici vous mettre le compte-rendu d’une des expérience qui a été le plus intéressant visuellement parlant. Cette simple eau, visualisée avec une caméra thermique infrarouge va réserver bien des surprises.
Pour commencer, je dois admettre que j'utilise le terme "faïençage" de manière abusive puisqu'il est normalement réservé aux solides or j'observe ici un liquide: de l'eau entre 0°C et 100°C.
Phénomène de microfissuration régulière et superficielle de la peau des enduits et bétons, dû à un retrait superficiel trop important ou rapide..
Il ne s'agit donc ici que d'une analogie avec les microfissures observées sur un solide lors d'un refroidissement ou d'un durcissement disharmonieux.
Cependant, comme l'observation décrite ici est le refroidissement d'une pellicule, il est bien possible que cela soit relativement proche du phénomène réel de tension qui aboutit au faïençage sur des solides.
Je présente ici un phénomène très particulier car allant depuis une convection forcée dans une lame d'eau vers la convection classique en mouvement brownien quand la température de l'ensemble de l'eau s'équilibre entre ses parties.
Vous verrez ainsi aussi se créer un micro-cyclone.
Matériel
Une assiette à soupe classique, un fond d’eau du robinet à température d’une quinzaine de degré sur lequel est versé un peu d’eau presque bouillante à 97-98°C.
Une caméra de thermographie infrarouge.
Un peu de temps
Étapes
Voici les différentes étapes de l'observation. J'ajouterais que ce phénomène est le même que l'échauffement de la surface de l'eau au soleil et qui génère un bouchon de chaleur sur un liquide froid et bloque donc partiellement la convection classique qui monte le chaud vers le haut et descend le froid vers le bas.
État originel
Une assiette à soupe d'eau est laissée à température ambiante. Voici sa vision thermique originelle.
Phase 1: le tourbillon
Versons à présent un peu d'eau bouillante "dans" cette eau froide.
le tourbillon et le refroidissement brutal de l’eau bouillante versée (temps 10 secondes).
Phase 2: la spirale
Il se crée un système rayonnant qui est en fait une spirale serrée (temps 30 secondes).
Phase 3 : la spirale s'élargit
Les bras de la spirale s’éloignent et des résurgences apparaissent (temps 1 minute)
Phase 4 : la spirale s'essouffle
Des déformations apparaissent et l’énergie restante n’est plus suffisante que pour maintenir la spirale, elle s'essouffle(temps 2 minutes).
Phase 5 : début du faïençage
le « faïençage » commence, ils se crée un multitude de cellules sur les bras de la spirale d’origine (temps 4 minutes)
Phase 6 : fin du faïençage, nous repassons déjà en état brownien classique
Le « faïençage » s’accentue et la structure de base commence à s’effacer. (temps 6 minutes)
Phase 7 : mouvement brownien classique
Désormais les formes vont s’exercer de plus en plus librement, fusionnant doucement jusqu’à ce que le liquide soit en équilibre avec la température de la pièce et où il deviendra statique. (temps 7 minutes)
Discussion
Quel est la raison de ces phénomènes ?
L’eau chaude pénètre l’eau froide mais ne va pas s’y mélanger pour commencer car l'eau chaude et l'eau froide n’ont plus la même densité, elle va former une pellicule qui va être soumise à deux forces : celle de l’eau froide sur laquelle elle s’étale comme un miroir et celle de l’air froid avec lequel elle va commencer à échanger la chaleur par convection dans l'air.
On ne s'en rend pas compte à l'oeil nu mais je soumets en réalité cette couche d'eau à des contraintes effrayantes, elle est posée sur un miroir d'eau avec lequel elle ne peut échanger qu'en conduction, par contact, l'air va très vite se réchauffer et créer également une nappe convective sur le dessus. Cette contrainte va alors forcer ce système de transfert de chaleur en spirale.
L'air au-dessus va alors créer un cyclone alimentant l'eau en air froid par le centre. Au début, on pourrait penser que l'eau va refroidir par les bords de l'assiette mais ceux-ci se sont déjà échauffés et sont solides tout en ne représentant pas une grande surface donc c'est véritablement un tourbillon de l'air ambiant qui va se créer et qui va également tracer ce système sur la surface de l'eau.
En réalité, tant que les températures de l'eau de surface sont trop différentes de celle de l'eau du dessous, elles ne peuvent pas se mélanger, comme il s'agit seulement d'une fine couche d'eau, elle n'arrive pas à contenir un mouvement de convection vertical mais arrive bel et bien à créer un convection horizontale avec l'aide de l'air.
Une fois que les températures des couches d'eau se rapprochent, elles sont à nouveau capable de se mélanger et la convection verticale recommence avec une phase de "faïençage" intermédiaire.
À noter que si vous soufflez sur le liquide, tout se brouille mais en quelques dizaines de secondes, les systèmes en faïençage se rétablissent et reprennent leur lente dégradation jusqu'à devenir tout à fait browniens.
Les cellules vont grandir en taille et diminuer en nombre, jusqu’à arriver à un état statique, à l’équilibre soit l'équivalent de l'état initial une fois le différence de température résorbée qui ne laissera plus que l'énergie d'évaporation se marquer.
L’expérience répétée avec de l’eau distillée, de l’eau savonneuse ou de l’eau salée montrent de faibles variations, ces veines ne sont donc pas dues à la minéralisations des sels contenus dans l’eau et qui viennent flotter à la surface.
La photo ci-dessous montre bien qu’il s’agit d’une pellicule dans laquelle ces mouvements ont lieu :
Pourtant, cette observation-ci a été faite avec une eau bouillante versée dans un récipient et qui va donc réagir différemment avec la zone chaude en dessous et la zone plus froide au dessus, dans la zone d’échange dont voici l’une des finales :
Il est évident que la forme et l’ampleur du récipient ont une incidence déterminante sur le résultat, autant que les quantités des liquides en présence.
Il est à noter également qu'une pellicule d'eau laissée sur un fond de récipient ne se comporte pas de cette manière à cause de deux facteurs:
- Le frottement qui est optimisé dans un cas eau/eau
- L'effet miroir où la couche inférieure d'eau froide va en partie se comporter comme un miroir en ce qui concerne la réflexion.
Analogie avec d'autres formes naturelles
Les systèmes de cyclone sur Terre:
Les galaxies:
Il est donc paradoxal de réussir à reproduire un même phénomène dans une flaque d'eau, dans l'atmosphère terrestre et dans des galaxies.
Il en ressort clairement une impression d'unité universelle d'autant que le cercle n'existe pas vraiment, Le concept de cercle comme étant une spirale infinie un cercle n'est jamais qu'une spirale stable, dont l'éloignement des points au centre est temporairement stabilisé.
C'est également une indication de plus qu'une fois sorti du microcosme, toutes les lois qui régissent l'Univers semblent bel et bien reliées, peu importe la taille et le milieu.
Exemple de réchauffement cette fois:
Notez ici l'une des étapes d'un phénomène inverse, il s'agit de glace fondant dans de la saumure.
Bien entendu, la saumure étant ici à 30% de sel, la réaction est nettement plus compliquée.
En vidéo
Vision un en version fer: YouTube 1
Vision deux en version arc-en-ciel: YouTube 2
Conclusion
Nous pouvons, semble-t-il, reproduire les tensions qui vont se créer au durcissement d'un fluide lors de son refroidissement ou de son séchage.
Voici un exemple de faïençage, on voit ici que les lignes de clivages correspondent également au ligne de refroidissement observées dans le mouvement brownien:
Dans une simple assiette, nous pouvons reproduire un phénomène qui existe depuis notre échelle de vie, à l'échelle atmosphérique jusqu'à l'infiniment grand des galaxies.
Nous avons en réalité ici la coupe d'un mouvement brownien. En ce qui concerne le sens de rotation, des expériences ultérieures montrent que c'est le vecteur de versement de l'eau bouillante qui va déterminer le sens de rotation et que dans certains extrême, deux cyclones opposés peuvent même se créer donc la force de Coriolis ne semble pas avoir prise sur une phénomène d'une si petite ampleur. C'est donc la force disparue qui va créer l'inertie qui rendra le mouvement définitif. En situation parfaite, la surface va donc se répartir en cellules de "jumelles" entre elles comme dans l'exemple sur le côté.
Voici par exemple l'image d'un cyclone dans l'hémisphère sud (il s'agit du cyclone Monica de 2006):
Voici en revanche l'image d'un cyclone dans l'hémisphère nord (tempête d'hiver "White Juan" sur le Canada en 2004), il tourne bien dans l'autre sens:
Données de l'expérience
Assiette creuse ouverture 21 cm, fond 12 cm et 3 cm de hauteur en porcelaine.
Réalisé avec 200 ml d'eau froide et 110 ml d'eau bouillante.
Lame d'eau froide: approximativement 1 cm d'épaisseur
Lame d'eau chaude: approximativement 0.3 cm d'épaisseur
Eau distillée, eau de ville ou autre, peu d'influence observé du moment qu'elle est propre.
Galerie
Point de départ du refroidissement d'une eau quasi bouillante par caméra thermique.
Thermographie infrarouge du début du refroidissement d'une pellicule d'eau d'une épaisseur inférieure à celle nécessaire à la convection verticale.
Imagerie thermique du mouvement Brownien de refroidissement de l'eau en 2D.
