Cette description/interprétation est basée sur le serpentin en verre, objet de cette page. Il est évident que de petits écarts (de temps, de vitesses, etc) peuvent êtres supputés/observés selon le serpentin utilisé. Pour les moteurs à "chambre + pipes" (avec membranes ou non), il ne semble pas y avoir de différence fondamentale de principe, mais leur géométrie est différente ... et donc, si vous considérez ce type de moteur, les mots ici utilisés sont parfois à "adapter".

Bref, allons y ...

1) Démarrage

Tube plein, on chauffe, les premières micro bulles (très faibles en volume) correspondent aux gaz qui étaient dissous dans l'eau, les bulles suivantes à de la vapeur d'eau (eau gaz) ... la quantité d'eau vaporisée occupe plus de place en phase gaz que liquide, l'eau liquide restant dans les tubes est repoussée ...

Le tube, "partie aérienne", reste vide d'eau puis se ré-emplit. Comment interpréter cette observation ?

Le volume occupé par de la vapeur (eau gaz) est (ici) visuellement constant pendant une trentaine de secondes, à l'issue desquelles de l'eau est aspirée. Pour que l'eau soit aspirée, il faut forcément que la pression qui régnait dans le serpentin diminue par rapport à ce qu'elle était au début de la période où le volume reste constant.

J'ai récemment lu l'hypothèse d'une surchauffe de la vapeur à l'origine de la diminution de pression. Certes, si on chauffe de plus en plus la vapeur, sa pression peut diminuer ... mais uniquement si le volume occupé par celle-ci augmente (voir la "loi des gaz parfaits", PV=nRT). Or le volume occupé par la vapeur pendant qu'apparaît la diminution de pression est manifestement constant (même si des micro-gouttes d'eau liquide sont plus ou moins en suspension dans la phase gaz au début de la "période de 30 secondes", leur volume est totalement négligeable et leur disparition par vaporisation ne donne pas de volume supplémentaire). L'hypothèse de la "surchauffe de la vapeur" ne permet donc apparemment pas d'expliquer la diminution de pression à l'origine de l'aspiration de l'eau (mais je crois que Jean-Yves est finalement d'accord ... sans compter que c'est aussi moi qui avait probablement mal interprété certains écrits).

La seule explication que j'entrevois alors (mais que je ne prétends pas "découvrir" !...) est celle que j'envisage depuis déjà pas mal de temps, sans l'avoir jamais écrite. Elle découle de la question : que se passe t-il à l'interface liquide/gaz ?

Commençons par rappeler quelques notions de chimie-physique. Prenons un liquide (que l'on considérera comme pur, en ce sens qu'il ne contient qu'un type de molécules). En équilibre avec ce liquide, il existe une phase vapeur (= gaz = molécules "dispersées") composée par les mêmes molécules. Cela veut dire que des molécules du liquide, par exemple de l'eau, passent sous forme de gaz, pour rejoindre, dans le cas du verre d'eau, les autres gaz constituant l'air. En même temps, des molécules d'eau en phase gaz repassent dans le liquide. On a un "état d'équilibre", dynamique, lorsque autant de molécules passent dans un sens que dans l'autre.
Il est possible de déplacer cet équilibre, c'est-à-dire qu'il est possible que plus de molécules passent dans un sens que dans l'autre. A des conditions de pression et température correspondent un équilibre. Si on change les conditions, c'est alors que l'équilibre qui était établi se déplace, pour aller vers un nouvel état d'équilibre.

Revenons au pop-pop serpentin.

Le serpentin est rempli d'eau. On n'a alors qu'une seule phase. On chauffe le serpentin et l'eau qu'il contient. La température de l'eau augmente, jusqu'à arriver à la température de vaporisation. A ce moment, de l'eau qui était liquide commence à se vaporiser et forme une deuxième phase (vapeur = gaz). Tant qu'il reste, dans les spires (dans les spires, j'insiste), de l'eau liquide, la température n'augmente pas au-delà de la température de vaporisation, le changement d'état se fait à température constante.

Les billes bleues symbolisent les molécules d'eau (dans la vraie vie, elle ne sont, pas aussi bien rangée dans le liquide que ne le laisse penser le schéma, elles sont bien plus petites, etc, etc ...). Leur nombre sous forme isolée figure la quantité de vapeur. Les flèches jaunes représentent la source de chaleur, les rouges le flux net (bilan) en molécules au travers de l'interface liquide/gaz (largeur proportionnelle au flux), les bleues le mouvement de l'eau liquide. Le serpentin est simplifié mais le processus reste le même ... et les extrémités sont évidemment plongées dans l'eau ... Il ne faut, de plus, pas perdre de vue que les numéros servent uniquement de repères, pas de "découpage"... tous les processus se font en continu, il n'y a pas d'état figé ... on est en perpétuelle évolution, en transitions permanentes ...

Cette deuxième phase (gaz), pour une même quantité de molécules considérée, occupe un plus grand volume que l'eau liquide qui lui a donné naissance, ce qui fait qu'elle repousse l'eau restée liquide dans les tubes. De plus, et c'est important, dès que la deuxième phase existe, il s'établit des échanges de molécules entre liquide et gaz.
Quand l'interface vient de se former, elle est située dans des conditions de température où "l'équilibre" est déplacé vers la formation de vapeur (on continue d'apporter de l'énergie). La vapeur ainsi formée continue de repousser l'eau dans les tubes.
Ce faisant, l'interface descend dans les tubes dont la température est de moins en moins élevée quand on s'éloigne des spires (la flamme chauffe nettement plus les spires que les tubes d'évacuation et le bas des tubes baigne dans de l'eau "froide"). Ainsi l'équilibre est de moins en moins déplacé vers la formation de vapeur au fur et à mesure que l'interface s'éloigne des spires ... pour finalement arriver à une situation où les conditions sont réunies pour que le déplacement s'inverse vers la re-condensation d'une partie de la vapeur (dès que l'interface sort de la zone où la température dépasse 100°C). Cela arrive vraisemblablement asses vite, les tubes étant touchables avec les doigts ...

Les flèches vertes symbolisent l'expansion de la vapeur lorsque la température dépasse 100°C (localement en haut du système). Les doubles flèches représentent des situations où un processus est à l'équilibre. Pour le flux "rouge" = autant de molécules passent l'interface dans un sens et dans l'autre. Pour les flèches vertes = expansion de la vapeur stabilisée (arrêtée). Pour l'eau liquide = l'eau ne bouge plus dans les tubes.

Cependant, bien qu'il n'y ait plus de production de vapeur, l'interface continue de progresser vers la bas des tubes, en conséquence d'une certaine expansion, probable, de la vapeur contenue dans les spires et qui voit sa température (et donc son volume) augmenter (il n'y a plus d'eau liquide dans les spires), jusqu'à ce que chaque point du serpentin se stabilise ("rapidement") à une certaine température, suivant un équilibre entre chauffe par la flamme et déperditions dans l'air, ce qui correspondrait au moment où l'interface "ne bouge plus".
S'en suit alors transitoirement l'existence d'un équilibre "astable" (il y a évolution lente imperceptible qui donne l'impression d'une stabilité), c'est à dire qu'une partie de la vapeur continue de repasser lentement sous forme liquide à l'interface. La pression de la vapeur dans le tube diminue alors car la quantité de matière en phase vapeur diminue (voir l'équation des "gaz parfaits", PV=nRT, où c'est la diminution de la valeur de n qui entraîne une diminution de celles de P et, par conséquence, de V). Nous avons donc là une hypothèse qui me semble plausible pour expliquer l'apparition d'une diminution de pression dans le serpentin.

Cependant, tout n'est pas encore clair. En effet, on peut voir que l'eau est ré-aspirée franchement (ça remonte dans les tubes avec une vitesse "élevée" et de manière relativement importante (variabilité possible, évidemment)). Comment expliquer cela alors que la création de la dépression est vraisemblablement assez lente (les molécules en phase vap sont dispersées et la surface de l'interface est petite) et qu'en toute logique (subjective !) l'eau devrait être ré-aspirée au fur et à mesure que la dépression se crée, c'est-à-dire relativement plus lentement qu'observé ?
J'envisage pour ma part que l'eau ne soit ré-aspirée qu'une fois que la dépression atteint une certaine valeur, au-delà de laquelle la force de succion arrive à vaincre la force de gravité (et celles liées au "pouvoir mouillant" de l'eau ?) qui "retien(nen)t" l'eau vers le bas des tubes.

Les zig-zag jaunes traduisent les forces qui retiennent quelque peu l'eau vers le bas des tubes. L'eau remonte dès qu'assez d'eau gaz s'est re-condensée pour que la force de succion ainsi née soit suffisante pour vaincre les résistances. Entre 5 et 6 la quantité de matière (eau) en phase vap a diminué par recondensation à l'interface, c'est de la que naît la dépression à l'origine de la ré-aspiration (première) de l'eau (PV=nRT ....). En 7, l'eau va arriver sur la partie portée à plus de 100°C, d'où vaporisation brusque, etc ...

Avant d'envisager la suite du cycle, on peut examiner deux ou trois bricoles ... Quand l'interface se stabilise en hauteur dans les tubes, on a P vap = P atmo (+ P colonne eau, mais elle est négligeable devant P atmo). On peut se demander à quel volume d'eau liquide vaporisée correspond la quantité de vapeur. Deux façons de procéder ... les deux reviennent exactement au même si on y réfléchit bien ! Vous prendrez celle qui vous plaît le plus ...

a) PV=nRT

n= PV/RT= (1 x 1,5.10-3) / (8,2.10-2 x 373) = 4,9.10-5 mol H2O
soit avec M = m/n = 18g/mol, donne 8,8.10-4 g soit 0,88 mg ...


b) Où l'on utilise les volumes molaires :

1 mole eau liquide à 25°C =18.10-3 L 1 mole eau gaz à 100°C = 30,58 L

Le rapport des volumes est 1700

Ce qui nous donne pour 1,5 mL de vap : 1,5/1700 = 8,8.10-4g soit 0,88 mg (la même chose disais-je ...)

N'oublions pas que le résultat est approximatif (T réelle >100°C), et qu'il indique plutôt un ordre de grandeur ... Mais cela donne une quantité vaporisée vraiment faible ... (environ 0,06 % du volume occupé ensuite par la vapeur).
On voit donc qu'il conviendrait de limiter la puissance de chauffe, ce qui est vérifié en pratique, sans quoi la quantité d'eau vaporisée est plus importante et de la vapeur s'échappe par les tubes, donnant des saccades de démarrage ... puisque nous en sommes restés au démarrage ... et que nous allons maintenant passer à la suite ...


2) Fonctionnement établi :

De l'eau est donc ré aspirée ... elle arrive en haut des tubes sur une surface très chaude, elle se vaporise quasi instantanément, la pression de vapeur dans le serpentin augmente brusquement, l'eau des tubes est alors de nouveau repoussée et éjectée en bout des tubes ...
L'eau est ensuite très rapidement ré-aspirée, puis ré-ejectée, etc, etc, ... Ca y est ! Ca prend un rythme de croisière ...!
Dans cette phase où les choses sont en route, on peut se demander d'où vient la ré-aspiration de l'eau. Evidemment, comme lors de la première ré-aspiration, il est très probable qu'une partie de "l'excédant" de vapeur à l'origine de l'expulsion de l'eau se re-condense à l'interface, d'où diminution de pression, etc ...
Cependant, bien que le volume d'eau "flash vaporisée" à chaque cycle soit vraisemblablement encore plus faible que celui vaporisé lors de la première vidange (voir en dessous), il semble que la re-condensation à l'interface, qui reste un phénomène relativement lent, ne suffise pas totalement à expliquer, après la phase de démarrage, la création très rapide des dépressions qui font remonter l'eau plusieurs fois par seconde ...

En ce qui concerne cette rapidité de mouvement de l'eau,Jean-Yves R. propose une hypothèse intéressante basée sur l'énergie cinétique ... Il envisage que l'énergie cinétique qu'acquiert le "boudin" d'eau qui se déplace dans les tubes soit à l'origine, quand l'eau descend, d'une force de succion ... tout comme la pression à l'intérieur d'une seringue bouchée diminue quand on tire le piston ... ou, analogie plus proche encore, comme ce qui se passe dans une "pompe de Humphrey", dont le fonctionnement est justement basé sur l'énergie cinétique qu'acquiert de l'eau poussée dans une canalisation par l'explosion d'un mélange de gaz ... (ici notre "explosion" serait la flash vaporisation de l'eau ...).

Remarque : se pose la question de la quantité d'eau vaporisée à chaque cycle. Deux approches sont possibles. Le pif ferait dire 5 à 10% de la quantité vaporisée primairement. En considérant que 0,9 mg sont vaporisé lors de la mise en route (voir fin de "1-Démarage"), 10% donne quelque chose de l'ordre de 0,09 mg (soit 90 µg, soit moins de 1/10eme de mm3 !).
Seconde approche : si on ne tient pas compte des phénomènes liés à l'élasticité de la vapeur, on pourrait dire que l'on va considérer le volume correspondant à la course du piston liquide (7 à 10 mm) comme résultant de la formation de vapeur à chaque cycle. Dans ce cas, le volume de vapeur produit est de 0,05.10-3 L (rayon tube = 1,125mm, course = 10mm). On utilise le rapport des volumes "vapeur à 100°C/eau" (= 1700) => le volume d'eau liquide vaporisée correspondant au volume décrit par l'interface à chaque cycle est de 2,9.10-8 L soit en arrondissant 3.10-5 mL soit encore 0,03 mg (ou encore 0,03 mm3, soit quelque chose comme 3% de l'eau primairement vaporisée, soit 0,0018 % de la quantité d'eau présente dans le seprentin avant mise en route). Bref, dans les deux cas on trouve des volumes relativement infimes...
Mais qui "collent" bien avec le fait que Slater Harisson fait fonctionner des moteurs qui ne sont mis en route qu'après avoir été remplis, puis vidés pour ne laisser que quelques gouttes d'eau à l'intérieur.

3) Résumé :

Le serpentin est plein d'eau

L'eau chauffe

Une (très) petite partie de l'eau est vaporisée (0,06% dans le cas présenté ici)

Le reste de l'eau est repoussé dans les tubes

Il arrive un moment où cette vidange s'arrête car l'eau qui pourrait donner de la vapeur n'est plus dans les conditions où cela est possible (on n'a plus 100°C) et la vapeur déjà formée ne s'expand pas plus qu'elle ne l'a déjà fait, par suite de stabilisation de la température des spires (équilibre entre chauffe et dissipation dans l'air).

Une partie de la vapeur formée se re-condense à l'interface liquide/gaz (qui se trouve dans des conditions le permettant) ... La quantité de matière en phase gazeuse diminue, la pression diminue en conséquence (PV=nRT) (Rmq : nous somme en système ouvert, la diminution de pression est immédiatement compensée par P atmo => P est une "pseudo-constante" => c'est V qui diminue)

La dépression ainsi formée devient (plus ou moins vite) assez importante pour vaincre les forces qui retiennent l'eau vers la bas des tubes ... l'eau remonte alors.


L'eau qui remonte arrive en contact avec une partie "très chaude" du serpentin.

Une petite quantité d'eau est brusquement vaporisée ... entraînant une augmentation rapide de la pression qui repousse l'eau dans les tubes, avec une "grande" vitesse.

Re-condensation à l'interface et (surtout ?) énergie cinétique de l'eau sont à l'origine d'une force de succion (dépression) qui s'exerce rapidement sur l'eau éjectée.

De l'eau remonte, se vaporise brusquement (estimation : environ 3% de la quantité de vapeur primairement formée, soit 0,0018 % de la quantité d'eau présente dans le seprentin avant mise en route), etc. etc.

Si on chauffe trop, nous l'avions déjà vu avec le pop-pop en laiton, le fonctionnement est entrecoupé d'à-coups. On peut maintenant constater de visu que si la chaudière chauffe plus (flamme plus importante) l'oscillation est plus erratique, avec par moment de grands mouvements d'eau dans le tube.
D'autre part, il est (communément ?) admis que le bateau avance car il y a une dissymétrie entre l'expulsion, qui se fait selon la seule direction du tube de sortie, sous forme d'un jet, et l'aspiration de l'eau qui se fait sans direction préférentielle, et même dans de multiples directions autour de l'extrémité du tube. Cela semble une bonne explication, les autres paramètres envisagés semblant jouer un rôle négligeable (dissymétrie de la coque, etc.).

Enfin, "pour voir", nous avons essayé de boucher une des deux extrémités. Du côté bouché, de l'eau reste dans le tube jusqu'aux environs du début de la torsion du serpentin, de l'autre, on observe une oscillation "normale". Cela va bien dans le sens de la réalisation de "moteurs" fonctionnels avec une simple chambre cylindrique assortie d'un tube de plus faible diamètre en guise de sortie.

Il est certain que ces p'tites manips ne concernent qu'un seul exemplaire, mais comme il est vrai que tous (ou presque tous ?) les serpentins réalisés fonctionnent, on peut penser que le cycle qui s'établit est toujours assez similaire à celui observé dans notre cas.

Il est également évident que je ne prétends pas ici résoudre un mystère ... Je pense que d'autres ont très probablement déjà envisagé la chose ... peut-être même que ce que je raconte a déjà été écrit ... mais je n'en ai pas connaissance et j'ai juste essayé de réfléchir ... Correctement ?? J'espère ! ... Mais je n'en suis pas certain .... et reste ouvert à toute remarque, critique et autre ...

Bon, voili voilà... je n'sais plus trop quoi dire... Ah si ! Il reste du boulot pour essayer de réaliser un serpentin qui soit le plus efficace possible (augmentation de l'amplitude en particulier), alors... à vos tubes et amusez-vous bien !!