Coalescence (physique)

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Coalescence de deux gouttes entrant en contact

La coalescence est un phénomène par lequel deux substances identiques, mais dispersées, ont tendance à se réunir. Le phénomène principal qui entre en jeu est que le matériau optimise sa surface sous l'action de la tension superficielle, de manière à atteindre un minimum d'énergie. La coalescence se produit généralement dans des fluides mais peut également unir des particules solides. Elle se rencontre dans plusieurs processus de domaines aussi variés que la formation des gouttes de pluie en météorologie, des plasmas en astrophysique et du métal en métallurgie.

Définition[modifier | modifier le code]

À la surface d'un milieu dense (liquide ou solide), ou à l'interface entre deux milieux denses, est associée une certaine énergie par unité de surface (exprimée en joules par mètre carré — J/m2) dont l'origine est la force de cohésion entre molécules identiques. Cette tension de surface est donc proportionnelle à la surface.

Dans le cas de la coalescence de bulles d'air dans un liquide (mousse), la coalescence s'explique par le drainage du liquide entre deux bulles voisines puis la rupture du film interfacial mais aussi, dans une moindre mesure, par la théorie stochastique développée par Gosh et Juvekar[1].

Dans le cas de gouttes de liquides, leur masse dépend de leur diamètre au cube alors que leur surface dépend du diamètre au carré. Lorsque deux gouttes de fluide se rencontrent, leur union minimise la surface par rapport à la masse totale. Selon l'énergie cinétique des gouttes et le diamètre de la goutte résultante, celle-ci peut être stable ou relâcher de sa masse sous forme de gouttelettes secondaires pour se stabiliser.

Pour un solide, comme un métal soumis à l'irradiation, il se crée des cavités, qui par coalescence peuvent donner une rupture après l'union.

Mousses et émulsions[modifier | modifier le code]

Une mousse liquide ou émulsion a tendance à se déstabiliser en l'absence de surfactants. Au cours du temps, les bulles grandissent à cause du mûrissement et de la coalescence. La distinction entre les deux est importante.

  • Le murissement est induit par les différences de tailles entre les bulles: Une bulle de petite taille se vide dans une bulle de taille supérieure. Le murissement tend à l'obtention d'une mousse ou émulsion monodisperse ;
  • La coalescence est due à la rupture du film présent entre les deux bulles ou gouttes.

À titre d'exemple, deux gouttes de mercure qui viennent à se toucher se rassemblent subitement pour ne faire qu'une seule goutte. On peut citer aussi une émulsion d'huile et d'eau que l'on a mélangés et secoués énergiquement. On observe alors que les gouttes d'huile fusionnent entre elles progressivement jusqu'à ne former qu'une seule grande goutte traduisant la séparation finale entre l'huile et l'eau.

C'est le cas également dans une mousse liquide, lorsqu'un film de savon se rompt et que les deux bulles d'air adjacentes se rejoignent pour n'en former plus qu'une seule.

Technique d'analyse de la stabilité physique[modifier | modifier le code]

La norme de référence pour les études de stabilité est l'ISO TR 13097 : Guidelines for the characterization of dispersion stability.

6http://www.iso.org/iso/home/store/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=52802

Le processus cinétique de déstabilisation peut prendre du temps (jusqu’à plusieurs mois, voire plusieurs années pour certains produits) et ainsi, le formulateur doit utiliser des méthodes d’accélération, afin d’obtenir des durées de développement acceptables. Les méthodes thermiques sont les plus employées et consistent à augmenter la température afin d’accélérer les déstabilisations (en restant en deçà des températures critiques d’inversion de phase et de dégradations chimiques). La température influe directement sur les phénomènes de diffusion qui déstabilisent un système dispersé. Elle affecte la viscosité, mais également la tension interfaciale dans le cas des tensioactifs non-ioniques et plus généralement les forces d’interactions à l’intérieur du système. En stockant la dispersion à hautes températures, on simule les conditions de vie réelles d’un produit (par exemple un tube de crème solaire dans une voiture en été), mais également on accélère les processus de déstabilisation jusqu’à 200 fois. L’utilisation de forces mécanique (vibration, centrifugation, agitation) permet d'accélérer les phénomènes générés par l'action de la gravité. En couplant les accélération mécaniques et thermiques, le formulateur peut étudier l'ensemble des processus de déstabilisation d'une émulsion ou dispersion. La norme de ISO TR 13097 explique clairement comment utiliser les différentes technologies (centrifugation, vibration, T).

Publication 2014 : Stabilité et rhéologie des dispersions: ISBN 978-3-00-045864-4 : 7 Dispersionseigenschaften 2D-Rheologie, 3D-Rheologie, Stabilitat Textbook “Dispersionseigenschaften - Stabilität, 2D-Rheologie, 3D-Rheologie“ This textbook contains the main fundamental knowledge on interfaces, colloidal systems, interfacial and bulk rheology and various applications from fields the three companies A. Paar, LUM GmbH and SINTERFACE GmbH are involved in. The textbook has been written as workshop material but can also be ordered by interested customers not taking part at the regularly organized joint workshops. The textbook is presently written in German but will be available soon also in English.

Bibliographie en libre accès : Stabilité des Emulsions/dispersions : http://www.dispersion-letters.com/

http://www.lum-gmbh.com/Literature_Database.html

Météorologie[modifier | modifier le code]

En microphysique des nuages, les gouttelettes croissent à des vitesses différentes par condensation et par effet Bergeron, selon la concentration de vapeur d'eau. Elles auront donc une variété de diamètres et se déplaceront à une vitesse différente reliée à leur diamètre dans le courant ascendant. La coalescence est l'amalgamation subséquente de deux ou plusieurs gouttelettes par collision pour en former de plus grosses.

Les plus grosses bougeant plus lentement capturent en effet les plus petites en montant puis lorsqu'elles ne peuvent plus être soutenues par le courant, elles redescendront et poursuivront leur croissance de la même façon[2]. Les flocons de neige agissent de façon similaire en tombant mais ce processus est généralement nommé agrégation.

Électro-coalescence[modifier | modifier le code]

L’électro-coalescence est une technique utilisée dans l'assèchement des pétroles lourds. L’eau par rapport à l'huile est conductrice et dans une enceinte constituée de deux électrodes au potentiel les gouttes d’eau vont se rapprocher. Du fait de la polarisation les gouttes s'allongent et prennent la forme d'une ellipse qui permettra de favoriser leur coalescence et permettre une collecte plus efficace de l'eau contenue dans les bruts[3].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) P. Ghosh et V.A. Juvekar, « Analysis of the Drop Rest Phenomenon », Chemical Engineering Research and Design, Elsevier B.V, vol. 80, no 7,‎ 2002, p. 715-728 (lien DOI?)
  2. (fr) « Coalescence », Comprendre la météo, Météo-France (consulté le 2009-09-12)
  3. Steeven Nathanael Abadier, « Deshydrations des bruts lourds par electrocoalescence », sur Mémoire on line (consulté le 4 juin 2012)