Température : zéro absolu

Que signifie le zéro absolu lorsqu'on parle de température ?

Un cours proposé par Ben'J

Le zéro absolu reste toujours un mystère, car personne ne l'a encore atteint, mais il y a eu plusieurs expériences sur le sujet et on se rapproche de plus en plus de cette température utopique. Les recherches, qui ont été amorcées en 1970 dans un laboratoire de l'université de Cornell qui travaille sur les basses températures, ont démontré que le gaz se rapprochant le plus du zéro absolu était un isotope de l'hélium, l'hélium-3.

Nous allons donc approfondir le sujet glacé des basses températures en vous parlant du zéro absolu et du gaz qui s'en rapproche le plus jusqu'à aujourd'hui, l'hélium-3. Nous vous décrirons ses caractéristiques chimiques et physiques ainsi que ses propriétés, les facteurs impliqués comme la nature, la quantité, la température, le volume et la pression. Nous traiterons aussi de ses impacts sur l'environnement et quels effets il y aurait sur notre société si une telle température était atteinte.

Le zéro absolu est une température fictive que l'on a fixé à -273,15 degrés Celsius.

Nous disons qu'elle est fictive, car nous n'avons jamais réussi à l'atteindre avec exactitude, mais nous en sommes à une fraction de degré près. Les scientifiques ont déduit qu'à cette température le volume d'un gaz serait nul, car à pression constante, plus nous diminuons la température de l'espace environnant et plus le volume d'un gaz diminue, mais nous savons aujourd'hui que le volume d'un gaz ne sera jamais nul, car lorsque la température diminue, les gaz se transforment en liquide pour ensuite se solidifier.

Le zéro du zéro absolu est représenté comme étant le zéro de l'échelle Kelvin. Donc 0 K est égale à -273,15 degrés Celsius. Cependant, pour l'échelle en Fahrenheit, le zéro absolu est représenté par -459,67 F. Il y a aussi une quatrième échelle, celle de Rankine, mais elle est moins connue et moins utilisée. À cette température, il n'y a aucun changement chimique qui se produit, car la baisse de température ne fait que faire changer les gaz de phase, donc les changements physiques sont d'ordres primaires. Comme changements physiques, il y a le changement de phase de gazeux à liquide et de liquide à solide, la diminution du volume et l'augmentation de la masse.

Un des seuls gaz à obtenir une température si basse est l'hélium-3.

L'hélium que nous retrouvons dans l'air, n'est pas présent en grande quantité, seulement 1 particule sur 200 000, et la fraction de l'isotope hélium-3 est environ un million de fois plus petite que celle de l'hélium. Cela coûterait donc trop cher pour extraire cet isotope de notre air. Nous le fabriquons donc à partir des irradiations du lithium par des neutrons produits par des réacteurs nucléaires.
Après la réaction nucléaire, un gaz riche en hélium-3 est créé et il est ensuite récupéré, puis vendu à des prix élevés. Cela implique que le gaz condensé, l'hélium liquide, ne gèle pas à des pressions ordinaires, mais il reste plutôt sous forme liquide même à des températures très près du zéro absolu.

Ce gaz est unique par rapport à tous les éléments du tableau périodique, car c'est seulement sous de forte pression et à une température extrêmement basse que l'hélium liquide se cristallise et se transforme en une phase solide. Ce gaz est celui qui se rapproche le plus près du zéro absolu et lorsque cela se produit, il est sous forme liquide. La plus basse température que nous pouvons lui faire atteindre sous forme gazeuse est de 2 mK, c'est à dire 0,002 K qui équivaut à -273,148 degrés Celsius. Nous pouvons donc constater que nous sommes extrêmement près du zéro absolu, sans toutefois pouvoir l'atteindre.

Tableau des températures importantes

Ci-dessus est [sera] représenté le tableau des températures importantes qui sont à retenir pour comprendre les principales données. Ces données représentent à quelle température l'eau bout ou gèle, lorsque l'hélium liquide bout et bien entendu, le zéro absolu. Ces données ont été prises dans un milieu où la pression étudiée était constante.

Les utilisations du zéro absolu

Les impacts que ce genre de gaz et de basse température auraient sur notre société sont assez nombreux.
Par exemple, l'avancement du processus de cryogénie serait de beaucoup touché par ces expériences, car la cryogénie utilise de très près les basses températures pour congeler des matériaux organiques pour ensuite les décongeler plus tard sans aucun signe apparent ou chimique de vieillissement.

Les moyens de diffusion de l'électricité pourraient en être avantagé, car plus la température est froide et plus l'électricité passe facilement dans le matériau choisi, car la résistance de tout matériau est réduite à de froides températures. La supraconductivité pourrait donc aussi bénéficier de ces recherches, car un fil de cuivre refroidi à 0 K serait conducteur sans aucun signe de résistance, mais il faudrait trouver un moyen de garder cette température froide à la température ambiante de l'extérieur par une belle journée ensoleillée.

L'utilisation pourrait aussi se faire dans le domaine des transports, car un moteur qui a tendance à chauffer trop rapidement peut être refroidi à l'aide d'eau, mais s'il était refroidi à l'aide de l'hélium-3, dans son état fluide, ses capacités seraient grandement augmentées, car il aurait beaucoup moins de chance de surchauffer. Nous pourrions augmenter ainsi le moteur de nos fusées, facilitant l'exploration de notre univers avec des moteurs plus puissant qui ont moins de chance d'exploser. Ce principe pourrait s'ajouter aussi aux autres types de moteurs ou de processeurs comme par exemple ceux des ordinateurs.

Malheureusement, il n'y a pas que des bons côtés au processus du zéro absolu. Par exemple, si l'on prenait le principe des bombes. Nous savons qu'il existe des bombes à froid qui sont de maigre puissance, car les températures atteintes lors de l'explosion de cette bombe ne sont pas assez froides. Mais imaginez que nous réussissions à contenir la température du zéro absolu dans un contenant et que nous le faisions exploser par la suite. Les résultats de ce froid intense auraient un effet aussi, sinon pire, que les effets immédiats de la bombe nucléaire. Évidemment, ceci n'est qu'une supposition parmi tant d'autres.

Il y a aussi le fait que pour obtenir l'hélium-3, il faille utiliser une centrale nucléaire, par conséquent, les déchets toxiques se feront de plus en plus nombreux, si nous ne trouvons pas un moyen de se débarrasser de ses déchets.
La superfluidité de l'hélium-3 apparaît seulement à des températures très basses, environ de 2 mK (0,002 K), et s'est trouvée utilisée seulement par des scientifiques travaillant à des températures extrêmement basses. Sa principale importance a été de développer notre compréhension sur la conduite compliquée de plusieurs particules interagissant fortement dans des systèmes quantiques, comme des liquides quantiques, et pour le développement de concepts théoriques dans le champs d'action microscopique des phénomènes quantiques.
La théorie quantique affirme que l'énergie rayonnante a, comme la matière, une structure discontinue. Elle ne peut exister que sous forme de grains, ou quanta, de valeur hv, où h est une constante de valeur 6,624 x 10-34 et que v est la fréquence de rayonnement. Cette théorie est à la base de toute la physique moderne. Le zéro absolu apporterait beaucoup de changement dans notre monde, surtout d'ordre mécanique, mais il y aurait bien entendu des inconvénients.

Sources

Les informations que nous avons obtenues et utilisées dans cette recherche sont venues de sites internet et de textes sur la cryogénie. Nous nous sommes procurés les textes sur la cryogénie à la bibliothèque Gabrielle-Roy. Le reste des informations trouvées étaient situées sur des sites internet dont en voici les adresses :
- www.nobel.se/announcement-96/addphys/html
- www.hmco.com/college/chemistry/resourcesite/digests/chemedl/cedoct96/msg00081.htm

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