Torche à Plasma et Météore

[frédogoto]

Je pense que cette question est particulièrement destinée Axel puisqu'il me semble que cela rejoint un peu le sujet de sa thèse, je veux parler des Plasmas

Dans Ciel & Espace du mois d’avril, un large dossier est consacré à la météorite qui a explosé en Russie

À la lecture de l’article, j’ai appris un certain nombre de choses très intéressantes

L’Air , à l’avant du bolide , était comprimé et chauffé à 30.000°K (degrés Kelvin qui dans ces ordres de grandeur et presque égal aux degrés Celsius)

Autrement dit le bolide s’est fait roder hyper efficacement par… une torche a plasma : 10K tonne de matériaux se sont « évaporé » en moins de 4 secondes !!

Dans l’industrie, on voit que la torche a plasma « éclate » les torches acétylène , y’a des vidéos sur YouTube très parlantes

J’ai bien une vague présomption du fonctionnement de ces bidules, mais plutôt de continuer a penser une connerie, j’aimerai bien savoir pourquoi du plasma (des ions chaud si j’ai bien compris) est a ce point plus efficace pour découper des tôles ou évaporer un caillou ?

Accessoirement comment fait-on une torche à plasma ??

[Axel]

Petit rappel:

La combustion consiste en une réaction entre un combustible (H[indice]2[/indice], hydrocarbure, métal...) et un comburant (souvent l'oxygène moléculaire O[indice]2[/indice]). Cette réaction s'accompagne d'un (fort) dégagement de chaleur.

Exemple d'équation bilan de la réaction de combustion de l'hydrogène moléculaire dans l'oxygène moléculaire :

H[indice]2[/indice] + 1/2·O[indice]2[/indice] → H[indice]2[/indice]O

Pour la combustion d'un hydrocarbure de formule générale C[indice]x[/indice]H[indice]y[/indice], la réaction est un peu plus compliquée :

C[indice]x[/indice]H[indice]y[/indice] + (x+y/4)·O[indice]2[/indice] → x·CO[indice]2[/indice] + y/2·H[indice]2[/indice]O

avec : méthane = CH[indice]4[/indice] (x=1 et y=4), propane = C[indice]3[/indice]H[indice]8[/indice] (x=3 et y = 8), butane = C[indice]4[/indice]H[indice]10[/indice] ; éthylène = C[indice]2[/indice]H[indice]4[/indice] ; acétylène = C[indice]2[/indice]H[indice]2[/indice]...

En première approximation, cette équation bilan s'applique aussi pour la combustion dans l'air, puisque l'azote ne participe pas à la réaction, il est juste spectateur.

Cependant, si on voulait le représenter dans les équations bilan précédentes, la composition de l'air étant grosso modo 79% de N[indice]2[/indice] et 21 % de O[indice]2[/indice], on pourrait écrire :

H[indice]2[/indice] + 1/2·O[indice]2[/indice] + 1/2·(79/21)·N[indice]2[/indice] → H[indice]2[/indice]O + 1/2·(79/21)·N[indice]2[/indice]

C[indice]x[/indice]H[indice]y[/indice] + (x+y/4)·O[indice]2[/indice] + (x+y/4)·(79/21)·N[indice]2[/indice] → x·CO[indice]2[/indice] + y/2·H[indice]2[/indice]O + (x+y/4)·(79/21)·N[indice]2[/indice]

On note au passage que dans le cas de la combustion dans l'oxygène pur, la chaleur libérée par cette réaction chimique est entièrement déposée sur l'eau et le CO[indice]2[/indice] produits par la réaction, alors que dans le cas de la combustion dans l'air, la même quantité de chaleur sera déposée sur le mélange eau + CO[indice]2[/indice] + azote. Bref, on distribue la même somme (càd la même quantié de chaleur) sur plus de participants, donc chacun aura moins : la température totale du mélange (gaz brûlés) sera donc plus faible.

1[exposant]ère[/exposant] conclusion : la température de fin de combustion sera (beaucoup) plus élevée si on fait brûler le combustible dans l'oxygène pur que dans l'air. C'est la raison pour laquelle les torches à acétylène ont 2 bouteilles : l'une d'acétylène, l'autre d'oxygène : on fait brûler l'acétylène dans de l'oxygène pur.

Le choix de l'acétylène vient quant à lui du fait que sa réaction avec l'oxygène libère plus d'énergie que la combustion du propane, par exemple, mais qu'il reste facile à stocker (plus que l'hydrogène).

Pour donner des idées, voici des température maximale de fin de combustion dans l'air ou l'O[indice]2[/indice] froid (source wikipedia) :

Méthane + air : 2000°C, soit environ 2300 K

Kérosène + air : 2100°C, soit environ 2400 K

Hydrogène + air : 2200°C, soit environ 2500 K

Acétylène + air : 2500°C, soit environ 2800 K

Hydrogène + O[indice]2[/indice] : 3200°C, soit environ 3500 K

Acétylène + O[indice]2[/indice] : 3500°C, soit environ 3800 K

On utilise des torches à acétylène parce que c'est facile et pas cher à faire, "pas trop dangereux", et que la température des gaz chaud est élevée, ce qui permet de faire fondre/découper rapidement/facilement le métal.

Pour les torches à plasma, on applique à un gaz un champ intense électrique et/ou magnétique (de toutes façons, c'est lié). L'énergie transférée au gaz le chauffe à très haute température (quelques milliers de K à ... pffffiou, ça peut monter très haut, 100 millions de K, voire des miyards de K dans des tokamaks ou des accélérateurs de particules).

Dans le cas de l'astéroïde, l'énergie apportée au milieu est d'origine cinétique (1/2·m·v[exposant]2[/exposant])

Les frottements ralentissent l'astéroïde en transférant une partie de son énergie cinétique en chaleur.

Ensuite, la notion de température est toujours un peu compliquée en physique.

La théorie cinétique des gaz établie une relation entre la température thermodynamique d'une particule et son énergie cinétique : mesurer la température revient à mesurer le niveau d'agitation des particules. On parle de température cinétique.

Dans le cas des atomes, on a des nucléons (protons et neutrons) avec des électrons qui "orbitent" autour, sur une couche avec un niveau d'énergie donné. La couche de plus basse énergie est appelée niveau fondamental (c'est la couche qui est le plus près du noyau). A température nulle (0 K), seul ce niveau est peuplé. Plus la température augmente, plus la vitesse des atomes augmente, et avec elle l'énergie transférée lors de collisions. Un apport d'énergie peut ainsi faire sauter un électron sur une couche supérieure, voire, éjecter l'électron de l'atome et par là même, ioniser l'atome. Cet électron ayant alors une énergie cinétique, on peut lui attribuer une température.

Quand un gaz ionisé (plasma) est à l'équilibre thermodynamique, toutes les températures sont égales (température cinétique du gaz et température électronique). Si le gaz est moléculaire, on peut avoir d'autres types de température, liées à des degrés de liberté supplémentaires :

molécules diatomiques : température vibrationnelle (quantifiée en énergie), due à la vibration des atomes au sein de la molécule :

Alors, de quelle température parle-on ?

Bon, pour en revenir à tes moutons, on peut voir les choses sous 2 angles : l’œuf ou la poule !

En effet, le gaz est puissamment chauffé par frottement jusqu'à devenir un plasma (cas de l'astéroïde où d'un véhicule spatial lors de sa rentrée) : le plasma est crée par chauffage.

Mais on peut aussi créer un plasma en accélérant les électrons libres présents dans le milieu, au moyen d'un champ électrique. Ces électrons rapides entrent en collision avec des atomes auxquels ils arrachent des électrons eux même accélérés par le champ électrique... etc. Du coup, on a une soupe d'atomes/molécules + ions + électrons dont on peut définir la (ou les) température(s). En quelque sorte, le chauffage du gaz est la conséquence de la génération du plasma.

Ce plasma peut donc être très chaud (ex. torches à plasma, arcs électriques...) et être donc très efficace pour altérer un matériau (le fondre, l'évaporer, le sublimer...).

Donc dans l'industrie, les plasmas chauds sont générés électriquement par des torches ou des arcs et permettent de chauffer un gaz au delà de 10-20 000 K pour du traitement de matériaux (ex. purification du silicium, réalisation de matériaux monocristallins de grandes dimensions...) ou de la découpe.

[frédogoto]

merci pour cette clarification, j'ai enfin compris "la Ionisation"

c'est hyper intéréssant