Diffusion du dioxyde de carbone dissous dans les vins de Champagne par dynamique moléculaire

par Mohamed Ahmed khaireh

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de David Bonhommeau.

Soutenue le 08-12-2021

à Reims , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences Fondamentales et Santé (Reims, Marne) , en partenariat avec GSMA - Groupe de Spectroscopie Moléculaire et Atmosphérique (laboratoire) et de Equipe Effervescence dans les vins de champagne (équipe de recherche) .

Le président du jury était Régis Gougeon.

Le jury était composé de David Bonhommeau, Florent Calvo, Céline Toubin, Gérard Liger-Belair.

Les rapporteurs étaient Florent Calvo, Céline Toubin.


  • Résumé

    Les travaux présentés dans cette thèse sont consacrés à l’étude par dynamique moléculaire des propriétés detransport (ie, diffusion et viscosité) et des propriétés thermodynamiques (ie, compressibilité isotherme, capacité calorifique, et dilatation thermique) de solutions hydroalcooliques carbonatées pauvres en sucres, telles que les vins de Champagne bruts, en fonction de la température à une pression de 1 bar. Dans un premier temps je me suis attaché à évaluer les modèles moléculaires optimaux pour étudier la diffusion du CO2. Une combinaison du modèle d’eau OPC (ou éventuellement TIP4P/2005) et du modèle de CO2 EPM2 a été identifiée comme un excellent choix pour reproduire les coefficients de diffusion tirés de mesures de RMN 13C. Ce modèle a par la suite été utilisé pour analyser l’influence du degré alcoolique sur la diffusion du CO2 et de l’éthanol. Les coefficients de diffusion théoriques ont été comparés à des estimations expérimentales obtenues en appliquant la relation de Stokes-Einstein, qui relie le coefficient de diffusion d’une espèce à son rayon hydrodynamique et à la viscosité du liquide. Un accord satisfaisant a été obtenu pour le CO2, l’éthanol conduisant cependant à une légère surestimation des valeurs expérimentales. Enfin, la qualité des solutions hydroalcooliques carbonatées modèles considérée dans ma thèse a aussi été évaluée en analysant leur aptitude à prédire les viscosités et les propriétés thermodynamiques de ces mélanges. La plupart de ces propriétés sont bien reproduites ce qui démontre la robustesse de notre approche théorique. Tous ces travaux centrés autour des boissons carbonatées, et notamment des vins de Champagne, devraient permettre d’ouvrir de nouvelles voies vers des modélisations numériques encore plus sophistiquées des boissons effervescentes.Mots-clés : Boissons effervescentes, champagne, eau, dioxyde de carbone, éthanol, dynamique moléculaire, champs de force, diffusion, viscosité, rayon hydrodynamique, compressibilité isotherme, capacité calorifique, dilatation thermique.

  • Titre traduit

    Diffusion of dissolved carbon dioxide in Champagne wines by molecular dynamics


  • Résumé

    The works presented in this thesis were devoted to the study by molecular dynamics of transport properties (eg, diffusion and viscosity) and thermodynamic properties (ie, isothermal compressibility, heat capacity, and thermal expansivity) of carbonated hydroalcoholic solutions poor in sugars, such as brut-labeled champagnes, as a function of temperature at a pressure of 1 bar. Firstly, I evaluated the optimal molecular models to study the diffusion of CO2. A combination of the OPC water model (or possibly TIP4P/2005 model) with the EPM2 CO2 model was found to be an excellent choice to reproduce the diffusion coefficients derived from 13C NMR measurements. Then, this model was used to analyze the influence of the alcoholic degree on the diffusion of CO2 and ethanol. The theoretical diffusion coefficients have been compared with experimental estimates obtained by applying the Stokes-Einstein relation, which relates the diffusion coefficient of a species to its hydrodynamic radius and the viscosity of the liquid. A suitable agreement is obtained for CO2 but ethanol yields a slight overestimation of experimental values. Eventually, the quality of model carbonated hydroalcoholic solutions considered in my thesis has also been assessed by analyzing their ability to predict the viscosities and thermodynamic properties of these mixtures. Most of these properties are well reproduced which demonstrates the robustness of our theoretical approach. All these works focused on carbonated beverages, and in particular on Champagne wines, should enable the opening of new paths toward even more sophisticated numerical modelings of fizzy drinks.Keywords : Sparkling beverages, champagne, water, carbon dioxide, ethanol, molecular dynamics, force fields, diffusion, viscosity, hydrodynamic radius, isothermal compressibility, heat capacity, thermal expansivity.


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