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Kelvins et zéro absolu
c'est froid!
Aimant

Les Kelvins

Et le zéro absolu

On utilise tous les degrés Celsius pour mesurer la température. C’est une échelle adaptée à la vie de tous les jours, où zéro degré correspond à la température à laquelle l’eau liquide devient de la glace, et cent degré la température à laquelle l’eau bout, le tout sous la pression atmosphérique standard. C’est un choix assez arbitraire, qui ne permet pas de bien comprendre pourquoi il pourrait y avoir un zéro absolu.

Les physiciens préfèrent une autre échelle, celle des kelvins. La température d’un corps, qu’il soit solide, liquide ou gazeux, est liée à l’agitation de ses atomes ou de ses molécules. Plus un corps est chaud, plus ses atomes vibrent. Dans un gaz par exemple, la température est proportionnelle à la vitesse moyenne des particules au carré. Plus elles vont vite et plus elles s’agitent, plus le gaz est chaud. C’est justement à partir de cette observation qu’est construite l’échelle des kelvins : la température y est calculée en fonction de la vitesse au carré ou de la vibration des particules qui Mesure dans un cryostat refroidi à l’hélium liquide, Crédits : MPQ, Paris 7composent le corps qu’on mesure. Par exemple, un gaz à 200 kelvins a des particules dont la vitesse moyenne au carré est deux fois plus grande qu’un gaz à 100 kelvins.

À zéro kelvin, les particules n’ont plus de mouvement (à des corrections quantiques près que l’on négligera ici). Les physiciens surnomment cette température le « zéro absolu », puisqu’on ne peut pas plus froid : on ne sait pas faire moins bouger un atome déjà immobile...

Pour passer des degrés Celsius aux kelvins, il suffit d’ajouter 273,14 degrés. Par exemple une pièce à 20°C est, pour un physicien, environ à 293 K (kelvins). Le zéro absolu où tout est immobile est donc à -273,14 °C, et il est donc clair qu’on ne pourra jamais descendre en dessous de cette température. La thermodynamique montre même qu’on ne peut jamais réellement atteindre le zéro absolu, mais juste s’en approcher.

L’intérêt des kelvins, c’est aussi de mieux « sentir » ce que sont les très basses températures. Quand K. Onnes parvient à améliorer le record des basses température de -253°C à -272°C, cela ne semble pas très impressionnant. Mais sur l’échelle des kelvins, cela revient à passer de 20,3 K à 1 K, autrement dit à réduire de vingt fois la température, c’est-à-dire les vibrations des atomes dans la matière !

De même, dire que la découverte des cuprates a révolutionné la physique des supraconducteurs puisque leur température critique peut atteindre jusqu’à -135°C alors que le précédent record était autour de -250°C, peut paraitre exagéré. Et pourtant, en kelvin, cela revient à passer d’à peu près 20 K à 138 K, et donc de multiplier par sept la température d’apparition de la supraconductivité !
Vous verrez donc souvent les physiciens donner la température critique d’un supraconducteur en kelvin plutôt qu’en degré Celsius.

 

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