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Refroidir
c'est froid!
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Refroidir

Une opération pas si simple

On sait facilement réchauffer la matière avec une flamme. Par contre, la refroidir est plus délicat. La compréhension et la production des très basses températures a débuté au XIXème siècle et continue d’être au cœur de nombreuses recherches actuelles. Pour produire du froid, un domaine appelé « cryogénie », on utilise des machines qui vont pomper de la chaleur à un objet et ainsi le refroidir. Un réfrigérateur ou un congélateur fonctionnent sur ce principe. Dans ce cas, c’est l’électricité qui fournit une énergie convertie mécaniquement pour prendre de l’énergie thermique à l’intérieur du frigo et ainsi refroidir ce qui s’y trouve. La thermodynamique est la discipline qui permet d’optimiser ce type de machines. En particulier, grâce à des détentes de Joule-Thomson, les gaz peuvent être refroidis à des températures tellement basses qu’ils deviennent liquides.

C’est justement en liquéfiant certains gaz qu’on a pu accéder à des températures toujours plus basses : -183°C pour l’oxygène, -196°C pour l’azote, -253°C pour l’hydrogène. Une fois obtenus, ces liquides ne se réchauffent pas, mais ne font que s’évaporer, tout comme l’eau liquide qui ne chauffe pas au-delà de 100°C mais s’évapore en bouillant. On peut donc y plonger des échantillons pour mesurer ce que devient la matière à très basse température.

Le premier liquéfacteur d’hélium, utilisé par K. Onnes à Leyden, Credits: Museum Boerhaave, LeidenLiquiéfacteur moderne

Au début du XXème siècle, l’hélium est le seul gaz qui n’a pas pu être liquéfié. L’hélium est un gaz inerte très léger observé pour la première fois dans le spectre de la lumière émise par le soleil. Il est extrait sur Terre de sources de gaz naturel aux États-Unis, en Russie, ou encore en Algérie. C’est en 1908 que Kammerlingh Onnes parvient, le premier, à liquéfier de l’hélium. Il découvre alors que l’hélium devient liquide à seulement 4,2 degrés du zéro absolu (-269°C), et quand il pompe la vapeur au-dessus du liquide, la température de l’hélium liquide descend jusqu’à 1,6 degré du zéro absolu ! Onnes peut ainsi mesurer les propriétés de la matière à des températures jusqu’à vingt fois plus basses que tout ce qui avait réalisé avant (sur l’échelle des kelvins), en plongeant ses échantillons dans l’hélium liquide. Cela lui permet entre autre de mesurer ce que devient la résistance électrique des métaux et de découvrir, en 1911, la supraconductivité!

Les spécialistes des basses températures savent maintenant descendre en laboratoire à encore plus basse température, jusqu’à seulement quelques millionièmes de degré du zéro absolu, grâce à des dispositifs cryogéniques toujours plus astucieux : cryostats à dilution, désaimantation adiabatique, cellule Pomoranchuk , etc. Attention, à ces températures, même la définition de la température doit être maniée avec précaution !

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