mercredi 21 février 2018

Air chaud et air froid

Michel Debost, flutiste de l'Orchestre de Paris et auteur de l'excellent livre Une simple flute  écrit qu'il ne sait pas pourquoi l'air soufflé rapidement paraît froid, alors que l'air expulsé lentement de la bouche paraît chaud.

Voici l'explication.

Tout d'abord,  l'air est un gaz, ce qui signifie qu'il est plein... de vide, avec quelques molécules qui se déplacent en ligne droite, rebondissant seulement quand elles se heurtent ou quand elles heurtent les parois du récipient qui les contient. La distance entre deux molécules est en moyenne d'une centaine de diamètres de molécules. Et ces molécules sont principalement des molécules de "diazote", avec deux atomes de l'élément chimique nommé azote, liés comme dans une haltère. Bien sûr, il y a aussi des molécules de dioxygène, faites de deux atomes d'oxygène. Mais bref, pour simplifier, pensons à des boules de billard qui partent dans toutes les directions de l'espace, et non pas seulement dans le plan d'un billard.
Si nous mettons un gaz dans un récipient cylindrique fermé par un piston, en posant seulement ce piston dans appuyer, il est en équilibre parce qu'il y a autant de chocs par unité de temps par les molécules enfermés dans le récipient  que par les molécules de l'air qui est au-dessus du piston. Mais si nous appuyons sur le piston, nous réduisons le volume du gaz dans le cylindre, de sorte qu'il y aura plus de chocs contre le piston... et c'est cela que nous sentons en appuyant  : véritablement nous luttons contre des chocs par les molécules.
A cela, il faut ajouter que les molécules n'ont pas toutes la même vitesse : il y en a de lentes et de rapides... mais plus le gaz est chaud, et plus la vitesse moyenne des molécules est grande. D'ailleurs, on mesure facilement que la pression augmente avec la température : dans l'expérience précédente, si nous chauffons le cylindre et le gaz qui s'y trouve, alors le piston remonte... parce que les molécules enfermées, plus rapides parce que plus chaudes, poussent davantage sur le piston.
 
Tout cela étant posé, nous pouvons maintenant expliquer l'affaire du froid et du chaud. 

Observons que, dans notre système respiratoire, l'air est à la température du corps, soit environ 37 degrés. Et, quand on expulse doucement cet air, c'est bien cela que nous sentons sur la paume de la main que nous plaçons devant la bouche qui exhale doucement.
En revanche, quand on expulse l'air à grande vitesse, alors les molécules sont (dans une decription idéalisée) toutes avec la même vitesse et la même direction.
Pourquoi sent-on du froid ?  Observons d'abord que, puisque la vitesse moyenne d'agitation des molécules est de l'ordre de 400  Imaginons que nous soyons un petit génie qui se déplace à cheval sur une de ces molécules. Puisque toutes les molécules vont à la même vitesse, nous ne verrions aucun mouvement des autres molécules qui nous entourent... ce qui correspond à une vitesse d'agitation nulle, donc à une "température" nulle.

Mais il y a autre chose : quand on exhale, on expulse rapidement la totalité des molécules, avec leur énergie. Mais quand on souffle un étroit filet d'air rapide, alors on sait bien que l'on en expulse une très petite quantité, donc bien moins d'énergie (on se souvient que la vitesse de l'air expulsé est bien moindre que la vitesse d'agitation aléatoire des molécules). On capte donc moins d'énergie, donc moins de chaleur... même si nos capteurs de pression sentent une pression localisée.