Note pour les oreilles sensibles: dans les vidéos ci-dessous, la bande son a été conservée pour entendre la détonation. Hélas, on entend aussi quelques commentaires (assez peu scientifiques - il faut le reconnaître) pour lesquels vous voudrez bien excuser entre autres: Kamel, Pierre, Alexandre, Julien, Jérôme ...
Essais en extérieurs avec une bouteille de 0.5 L ( remarquez la délimitation du périmètre de sécurité et le poste de mise à feu )
Nous avons été surpris par la puissance de l'explosion de 0.5 L de mélange de dihydrogène et de dioxygéne et l'accélération produite sur la fusée.
Mais quelle sont les énergies mises en jeu ? Quels sont les rendements des conversions de ces différentes énergies.
On peut identifier un certain nombre d'énergies, de conversions et de pertes au cours du lancement :
L'énergie électrique consommée par l'électrolyse Eé est facile à calculer : Eé = u i Dt et à mesurer ( un ampèremètre, un voltmètre et un chronomètre suffisent ).
On a relevé au cours d'un tir qu'il a fallu 14 minutes d'un courant de 1.6 A sous une tension de 6.5 V pour remplir une fusée de 0.5 L de mélange soit Eé = 6.5 x 1.6 x 14 x 60 = 8750 J = 8.7 kJ
L'énergie de nature chimique produite par l'électrolyse Echimique est plus difficile à déterminer.
Il faut pour cela rappeler la définition de l'énergie de liaison.
Soit deux atomes A et B liés par une liaison covalente notée A-B, l'énergie de cette liaison, notée DA-B, est l'énergie qu'il faut amener pour séparer une mole de liaisons A-B en une mole de A et une mole de B séparés les uns des autres. C'est aussi l'énergie cédée par une mole de A et une mole de B qui s'associent en une mole de A-B.
Quelques énergies de liaison : DO-H = 460 kJ / mol DH-H = 436 kJ / mol DO=O = 494 kJ / mol
On distingue deux types de transformations chimiques: les transformations exothermiques et endothermiques.
Dans notre cas, on voit qu'on aurait du consommer 474 kJ pour produire par électrolyse 1 mole de O2 et 2 moles de H2 soient 3 moles de gaz.
Or on en a produit sensiblement moins ( environ 0.5 L ). En tenant compte d'un volume molaire de 24 L / mol, on peut considérer avoir produit 0.02 mol de gaz.
L'énergie électrique qu'on aurait du amener pour produire par électrolyse ces 0.02 mol de mélange O2 et H2, stockée sous forme d'énergie chimique dans le mélange devrait être égale à
Echimique = 474 / 3 x 0.02 = 3.2 kJ.
Le rendement de l'électrolyse = Echimique / Eé = 3.2 kJ / 8.7 kJ = 37 %
Cela correspond à un rendement plutôt satisfaisant pour une électrolyse ( à méditer quand on envisage d'utiliser le dihydrogène comme carburant dans les automobiles ! ).
L'énergie potentielle maximale de pesanteur Epp est facile à calculer : Epp = mfusée g zmax.
On a pesé une bouteille de 0.5 L : m = 30 g et estimé la hauteur maximale atteinte de 30 m ( environ 2 fois la hauteur du lycée) donc Eé = 0.03 x 10 x 30 = 9 J !
Le rendement final est très décevant : Epp / Eé = 9 / 8750 = 1 °/oo !!!
En d'autres termes, notre fusée aurait pu monter à 30 000 m ! avec un rendement de 100 %
( pas de pertes, pas de frottements) !!! La conversion, au cours de l'explosion, de l'énergie chimique en énergie cinétique est particulièrement mauvaise. De nombreuses améliorations doivent pouvoir être faites au pas de tir et sur la conception de la fusée.
Si vous faîtes mieux que nous, merci de nous en informer !
