TPE, la bulle de savon

LEMONNIER Alexandre                                                                                              Classe de 1èreS1                BELHOMME Hugo                                                                                                                                                      PEREZ Iléna                                                                                                                                                                              LATIL Manon

TPE :

Les Bulles de Savon.

ANNÉE SCOLAIRE 2016/2017

SOMMAIRE

• Introduction

• I/ Qu’est-ce qu’une bulle de savon et quelles sont ses propriétés ?

• Structure moléculaire de la bulle
• Masse d’une bulle de savon
• La poussée d’Archimède
• La tension superficielle

• II/ Expérience et observations

• Concentration
• Taille et forme de la bulle

• III/ Explications  

• Eclatement de la bulle
• Utilités de la glycérine, de la maïzena et du sucre

INTRODUCTION

Les bulles de savon, de par leur fragilité, leur jolie couleur irisée, leur souvenir d'enfance fascinent les hommes. Les scientifiques s'y intéressent aussi bien dans une approche fondamentale afin d'en percer les mystères que dans d'autres disciplines plus inattendues qui y font référence. En peinture (Les bulles de savons de Edouard Manet ou La bulle de savon de Jean-Siméon Chardin), en littérature mais aussi dans la publicité par exemple celle de Sonny, les bulles sont mises à l'honneur. Quant à l'économie ne parle-t-on pas de "bulle internet" ou de "bulle spéculative" ?

Nous avons décidé de faire ce TPE afin d'étudier les bulles de savon, ces sphères remplies d’air et entourées d’eau savonneuse que les enfants adorent sans jamais chercher à comprendre comment elles se produisent. Pourtant celles-ci nous cachent bien des mystères, la preuve, la théorie des bulles de savon reste encore incomplète à ce jour. De plus elles sont également utilisées pour étudier les cyclones. En effet, les tourbillons apparaissant sur ces bulles servent à modéliser les écoulements atmosphériques. Il s'agit donc d'un modèle simple qui permet de prévoir l'intensité des cyclones. Sur ce site, vous trouverez les réponses à certaines questions que vous ne vous êtes peut-être jamais posées. Tout au long de notre TPE, nous avons cherché à savoir quelle était la meilleure solution pour faire des bulles durables. Nous avons réalisé de nombreuses expériences afin d'y répondre. Tout d'abord, nous avons étudié la composition chimique et physique d'une bulle. Nous nous sommes ensuite demandés en quoi les paramètres physico-chimiques d’une bulle de savon influençaient sa durée de vie.

Problématique :

En quoi les paramètres physico-chimiques d’une bulle de savon influencent-ils sa durée de vie ?

1. Qu’est-ce qu’une bulle :

Pour répondre à cette question, nous avons étudié la structure des bulles de savon, de leurs propriétés chimiques à leurs propriétés physiques.

1. Masse d’une bulle

Pour calculer la masse d’une bulle de savon, nous avons choisi celle dont le diamètre est de 6 cm taille moyenne d’une bulle de savon.

Il n’est pas aisé de peser une bulle en raison de sa faible masse ainsi que de sa fragilité. En effet la balance n’est pas assez précise. Nous avons donc décidé d’estimer sa masse par calcul.

Dans un premier temps, nous avons estimé la masse de la pellicule d’eau qui l’entoure puis dans une seconde partie nous avons évalué la masse de l’air expiré par un être humain dans la bulle pour la créer. La somme de ces deux composantes donne l’ordre de grandeur de cette bulle.

Hypothèses :

Nous supposons la bulle parfaitement sphérique de rayon R

Nous supposons que la masse volumique de la pellicule d’eau savonneuse est celle de l’eau à 20°C, ρeau = 1000 kg/m3

Nous supposons que l’air expiré est composé de 80% de diazote, 16% de dioxygène et 4% de dioxyde de carbone.

Nous nous plaçons à la température T = 20°C = 293K (utilisée dans les formules) et la pression ambiante P = 105 Pa

L’épaisseur estimée du film est de 2µm [1] (V. Zanetti, Bulletin de l’union des physiciens 1807, Vol 95, 2001)

R est la constante universelle des gaz parfaits ≈ 8.314 J⋅mol-1⋅K-1

I - Calcul de la masse de la pellicule d’eau

1. Volume de la pellicule d’eau, Vfilm

Calcul du volume de la pellicule : R)3 -R-e) 3[pic 1][pic 2]

R3-R-e) 3)[pic 3][pic 4]

=R3-R2-2Re+e2).(R-e))[pic 5][pic 6]

=R3-R3-2R2e+Re2- R2e-2Re2-e3)[pic 7][pic 8]

=3R2e+Re2+e3)[pic 9]

Or, R=3.10-2 m et e=2µm=2.10-6m3

Donc R2e =1,8.10-9m3 

Re2=1,2.10-13m3<<1,8.10-9m3

e3=8.10-18 m3<<<1,8.10-9m3

donc on peut assimiler le volume de la pellicule d’eau à 3R2e)=2e[pic 10][pic 11]

V film≈2e[pic 12]

1. Masse de la pellicule, Mfilm

Mfilm = ρeau . Vbulle

Mfilm = ρeau . Vbulle

M film=2e.ρ[pic 13]

Application numérique :

M film≈0,023 g

La pellicule d’eau pèse environ 0.023g

II - Calcul de la masse du gaz contenue dans la bulle

2.1- Volume de la bulle

V bulle=R-e)3≈R)3[pic 14][pic 15]

2.2- Nombre de moles de gaz, nair

Nous utilisons la loi des gaz parfaits PV=nRT

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