A propos de boissons gazeuses

On m'interroge à propos de boissons gazeuses, effervescentes, et je donne ici les explications demandées.

La question initiale portait sur l'eau pétillante, qui, comme chacun  sait, n'est pas effervescente quand la bouteille est fermée, mais où des bulles de gaz apparaissent quand on ouvre la bouteille qu'on verse de l'eau dans un verre.

Pourquoi ?

Commençons par examiner un verre d'eau, un liquide donc transparent.

 Si l'on regarde à la loupe on ne voit encore qu'un liquide de transparent, mais si l'on prenait une espèce d'hyper-microscope extraordinairement grossissant, alors on verrait des objets tous identiques qui  bougent en tous sens  : on les a nommés des molécules d'eau.
Et entre les molécules ? Rien,  du vide.

Au-dessus du verre ? Là, si l'on regarde à des distances de l'ordre de celles qui séparent les molécules d'eau, on voit également du vide mais si l'on prend une perspective plus large, alors on peut voir d'autres objets se déplacer, cette fois plutôt en ligne droite,  jusqu'à ce qu'ils heurtent quelque chose. Ces objets-là n'ont pas la même constitution que les molécules d'eau et, pour ce qui concerne l'air, on voit principalement des molécules de deux sortes : des sortes d'haltères nommées molécules de diazote et d'autres sortes d'haltères nommées molécules de dioxygène. Dans les molécules de diazote, il y a deux atomes d'azote attaché entre eux, et pour les molécules de dioxygène, il y a deux atomes d'oxygène. Tout simple non ?

Quand il y a de l'air au-dessus de l'eau, les molécules de diazote et de dioxygène vont toutes les directions, mais certaines vont en direction de l'eau, et quand elles atteignent les molécules d'eau, certaines s'immiscent entre elles  : on dit qu'il y a du diazote ou du dioxygène dissout dans l'eau.
Cette dénomination  est légitime, car  le phénomène est tout à fait analogue à celui que l'on aurait si l'on ajoutait un cristal de sucre, formé d'un empilement régulier de molécule de saccharose, dans de l'eau : les molécule de saccharose se disperseraient  entre les molécules d'eau, et l'on obtiendrait du saccharose dissout dans l'eau.
Pour en revenir à l'eau et l'air, il y a un équilibre qui s'établit  :  si on met de l'eau à l'air libre, les molécules d'eau vont finir par s'évaporer et, au bout de quelques jours, il n'y aura plus d'eau dans le verre, pas plus qu'il n'y a d'eau sur la route quelques heures après la pluie, surtout s'il y a du vent. Mais si l'on enferme de l'eau avec de l'air dans une bouteille, alors il y aura des molécules d'eau qui iront dans l'air, faisant une certaine humidité, tout comme il y aura des molécules d'air qui iront dans l'eau s'y dissoudre. 

Supposons maintenant que l'on presse l'air au-dessus de l'eau  :  alors on augmente la densité de molécule de diazote et dioxygène de l'air et l'on peut dissoudre davantage de ces molécules dans l'eau. Mais si l'on supprime rapidement la pression de l'air, alors ces molécules en surnombre, qui se sont dissoutes dans l'eau, vont en sortir, et  c'est là qu'elles feront des bulles d'air, ces bulles qui font l'effervescence de nos boissons gazeuses.

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.