De l’utilité du grand froid…

Non, je ne vais pas vous parler des régions polaires, quoiqu’il y aurait beaucoup de choses à dire mais du froid industriel, celui qui est produit par l’homme et qui a de nombreuses applications dans de nombreux domaines (médical, biologique, alimentaire, industriel, agricole et même environnemental)

Petite histoire de température

Qu’est-ce que la température ? Qu’est-ce que la notion de chaud et de froid ? Prendre la température par simple toucher est il objectif ? Pourquoi ?

En réalité, il est assez difficile de définir la notion de température sans faire appel à la théorie moléculaire que nous donnerons un peu plus tard.

En effet, cette propriété est assez liée à la sensation de froid ou de chaud mais pour être vraiment précis, cela se complique. Lorsqu’on touche deux objets à même température mais de matériaux différents, selon qu’il est dense ou aéré, notre corps ne perçoit pas la même sensation : un matériau dense (tel que le métal par exemple) nous paraîtra toujours plus froid qu’un tissu (rempli d’air). La raison en est que le contact avec un matériau dense, produira un transfert de chaleur plus intense (car plus de contacts) entre notre main et l’objet plus froid.

Alors pour mesurer ou chiffrer la température, on doit faire appel à un phénomène physique qui accompagne une variation de température (soit la dilatation d’un liquide, la variation d’une résistance, l’émission d’un rayonnement).

Plusieurs échelles de températures existent, et celle qui nous est la plus familière est l’échelle Celsius qui repose sur deux repères à la pression atmosphérique normale : celui de la glace fondante qui repère le 0°C et celui de l’eau bouillante qui repère le 100°C.

Cependant, même si nous percevons bien cette échelle, celle-ci n’a aucune réalité  physique ! Ce qui est un peu embêtant tout de même !

Alors finalement, la réalité physique de la température c’est quoi ? Il faut pour comprendre passer à la description moléculaire de la matière : la température traduit l’énergie d’agitation des molécules d’un corps. Plus il est chaud, plus les molécules qui le constituent seront agitées.

Que se passe-t-il lorsqu’on diminue la température ? les molécules sont de moins en moins agitées, jusqu’à devenir complètement immobiles (ainsi que les atomes qui les constituent et les électrons présents dans les atomes), point où on atteint le zéro absolu. Une autre échelle de température prend ici tout son sens, c’est l’échelle Kelvin qui est la mesure du degré d’agitation des molécules. Le zéro Kelvin correspond au zéro absolu. Le lien avec l’échelle Celsius est un décalage de 273.15 degrés : 0K = -273,15 °C

Histoire de la cryogénie

Peut-on atteindre le zéro absolu ? et quels en seraient les applications ?
Vers les années 1860, est apparue une nouvelle science : la cryogénie. « Cryo »  vient du grec Kruos (« froid extrême »). La cryogénie est l’étude et la production du grand froid avec des températures de -150 à -270
°C ce qui signifie qu’on atteint pratiquement le zéro absolu. Avec des techniques très sophistiquées, on peut même descendre au 10-10K. Cette descente vers les températures les plus basses a été rendue possible par les progrès de la science et de la technologie. De façon naturelle,la température la plus basse est celle du rayonnement cosmique dans lequel baigne l’univers (2.7 K)

Des températures jusqu’à -150°C sont rendues possibles par les techniques frigorifiques classiques : on fait circuler un fluide particulier, le fréon par exemple dans un circuit fermé, il subit un certain nombre de transformations dont une évaporation. Pour s’évaporer, c’est-à-dire briser des liaisons, il prend de la chaleur quelque part, il refroidit donc un autre corps au niveau de l’évaporateur placé dans la machine frigorifique.

Pour atteindre des températures cryogéniques, l’utilisation d’un fluide frigorigène tel que le fréon subissant un changement de phase n’est pas suffisante. On travaille généralement avec l’hélium liquide qui permet d’atteindre des températures de quelques K ou l’azote liquide ou encore l’hydrogène liquide (pour travailler entre 14 et 20 K).

Pourquoi est-ce important ? Parce qu’à ces températures extrêmement basses, et on le comprend aisément avec la définition du mouvement moléculaire, les propriétés des corps changent…de nouvelles propriétés étonnantes apparaissent, avec des applications extraordinaires.

La cryogénie alimentaire

L’une des grandes applications de la cryogénie est la conservation alimentaire. La différence essentielle avec la congélation classique est la vitesse de refroidissement, extrêmement rapide par traitement cryogénique. La principale conséquence est qu’au lieu de former de gros cristaux dendritiques de glace qui endommagent les cellules de l’aliment, il se forme une multitude de tous petits cristaux qui n’endommagent pas les cellules du produit. On parle de surgélation.

Les supraconducteurs

A très très basse température, certains matériaux présentent la propriété de supraconductivité : c’est l’absence totale de résistance électrique et également la propriété de repousser un champ magnétique.

Pourquoi ces matériaux à basse température n’offrent ils pas de dissipation d’énergie au passage d’un courant électrique ? Parce que les liaisons moléculaires sont tellement ralenties que le passage des électrons n’est pas ralenti (pas de frottement). L’autre conséquence intéressante est qu’il n’y aura de dissipation d’énergie par effet Joule au passage du courant, donc pas d’échauffement… d’où un réduction importante de la taille des fils électriques s’il étaient dans un matériau supraconducteur.

On appelle température critique, la température sous laquelle apparaît la propriété  de supraconductivité. Le problème est que cette température critique de dans la gamme des températures cryogéniques ! d’où des applications plus que limitées dans la vie quotidienne.

Cette supraconductivité  permet de créer des électro-aimants puissants qui sous l’effet d’un courant électrique élevé ne subissent pas d’échauffement (application pour l’imagerie médicale et les accélérateurs de particules).

L’autre conséquence de la supraconductivité est qu’au voisinage d’un champ magnétique, il se crée des courants induits (qui ne sont anihilés par aucune résistance) ce qui provoque un champ magnétique opposé à celui de l’extérieur…il y a donc répulsion.

Lévitation magnétique grâce à la supraconductivité du matériau : Source

Superfluidité

Une autre propriété  un peu similaire de la supraconductivité est la superfluidité  qui concerne un fluide qui ne présente aucune viscosité : sans chocs entre molécules, pas de gêne entre molécules, l’écoulement est parfait.

Autres applications

En abaissant suffisamment la température, on parvient à fragiliser certaines liaisons et donc à faciliter leur broyage. Ceci est particulièrement intéressant dans le domaine industriel (économie d’ énergie pour le broyage) mais aussi alimentaire. Un broyage cryogénique (à -100°C) pour les céréales permet par exemple de réduire les partcueles à une taille inférieure à 50µm en une seule étape.

Pour en savoir plus

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cryog%C3%A9nie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Supraconductivit%C3%A9

http://science-for-everyone.over-blog.com/article-2301364.html

http://www.universalis.fr/encyclopedie/R171171/SUPERFLUIDITE.htm

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