Comment la matière change-t-elle d'état ? Sébastien Balibar Laboratoire de Physique Statistique...

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Comment la matière change-t-elle d'état ? Sébastien Balibar Sébastien Balibar Laboratoire de Physique Statistique Laboratoire de Physique Statistique Ecole Normale Supérieure (Paris) Ecole Normale Supérieure (Paris) http://www.lps.ens.fr/~balibar lycée Montaigne, déc. 2003 enseignement: ce que l'on sait recherches en cours: ce que l'on cherche à comprendre

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Comment la matièrechange-t-elle d'état ?

Sébastien BalibarSébastien BalibarLaboratoire de Physique StatistiqueLaboratoire de Physique Statistique

Ecole Normale Supérieure (Paris)Ecole Normale Supérieure (Paris)http://www.lps.ens.fr/~balibar

lycée Montaigne, déc. 2003

enseignement: ce que l'on saitrecherches en cours: ce que l'on cherche à comprendre

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Changements discontinusChangements discontinus

l'eau passe d'un l'eau passe d'un état liquideétat liquide à un à un état solideétat solide

discontinu discontinu ::

la densité de la glace est différente de celle de l'eau liquide la densité de la glace est différente de celle de l'eau liquide

de l' de l' état liquideétat liquide à à l'état gazeuxl'état gazeux

un autre changement discontinu un autre changement discontinu : :

la densité de la vapeur est beaucoup plus faible que celle du la densité de la vapeur est beaucoup plus faible que celle du liquide, liquide, sauf au "point critique"sauf au "point critique"

l'eau gèlel'eau gèle

l'eau boutl'eau bout

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plan de l'exposéplan de l'exposé

fluctuations : "opalescence critique"fluctuations : "opalescence critique"

universalité: fluides, aimants, superfluidité et universalité: fluides, aimants, superfluidité et forme des cristauxforme des cristaux

continu ou discontinu ?

métastabilité et nucléation :métastabilité et nucléation :

surfusion: à quelle température l'eau prend-elle en glace ?surfusion: à quelle température l'eau prend-elle en glace ?

cavitation: comment casser de l'hélium liquide et de l'eau ?cavitation: comment casser de l'hélium liquide et de l'eau ?

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changements continuschangements continus

le changement le changement liquideliquide gaz est continu gaz est continuau point critiqueau point critiqueun chemin particulier dans un chemin particulier dans le "diagramme de phases"le "diagramme de phases"

température

pre

ssio

n

le diagramme de phases

cristallisation

ébullition

solide liquide

gaz0

pointcritique

près du point critique:près du point critique:

grandes fluctuationsgrandes fluctuations

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"phénomènes critiques""phénomènes critiques"

ce qui se passe près du point critique d'un changement d'état continu

grandes fluctuations (de densité locale par exemple): opalescence critique (cf mirages)

(d' Andrews 1869 à van der Waals 1890)

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Universalité des Universalité des phénomènes critiquesphénomènes critiques

progrès récents de la physique statistique (depuis 1970)progrès récents de la physique statistique (depuis 1970)

UniversalitéUniversalité :

certains systèmes différentscertains systèmes différents, par exemple une transition liquide-gaz et l'aimantation d'un morceau de fer

ont les mêmes comportementsont les mêmes comportements, même description mathématique de la variation de certaines grandeurs physiques en fonction de la température

"théories de champ moyen" de L. Landau (1937)"théories de renormalisation" de L. Kadanoff (1966), M. Fisher (1967) et K. Wilson (1971)

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Fluides et aimants

Chaleur spécifique chaleur spécifique

CP = -T(∂2F/∂T2)P CH = -T(∂2F/∂T2)H

compressibilité susceptibilité magnétique

T = -1/V (∂2F/∂P2)T T = - (∂2F/∂H2)T

~ (T-Tc) ~ (T-Tc)

F : énergie libre V: volume T : température

la pression P et le champ magnétique H jouent des rôles semblables

même loi de puissance :

même "exposant critique"

même "classe d'universalité"

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les transitions rugueuses

cristaux d'helium 4T = 1.4 K

T = 1.1 K

T = 0.5 K

T = 0.1 K

plus la température est basse,plus il y a de facettes à la surface des cristaux

classe d'universalité:"Kosterlitz-Thouless"

mêmes comportements que:films magnétiques minces (c.a.d. à 2 dimensions)superfluides, trnasition liquide-solide, metal-isolant, etc.

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la croissance des cristaux d'hélium

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Superfluidesdécouverte en 1937 dans l'hélium liquide à Cambridge et Moscou:

la viscosité disparaît en-dessous de T = 2.17 Kelvin

La conductivité thermique devient très grande

des propriétés thermo-mécaniques étranges apparaissent ("l'effet fontaine")

le liquide passe d'un ensemble d'atomes individuels classiques à "onde de matière" quantique macroscopique

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l'hélium superfluide ne bout pas

extrait du film historique

de

J. Allen et

J. Armitage

(St Andrews, Ecosse)

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le "point lambda"

le comportement de la chaleur spécifique près du point critique:

la lettre grecque"lambda" ()

études très précises dans l'espace (pour que la densité soit très homogène)

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la condensation de Bose-Einstein

superfluidité de certains gaz quantiques très froids

les atomes s'accumulent dans un même état pour former

un "condensat"

c'est-à-dire une onde de matière macroscopique

les atomes sont

délocalisés

et

indiscernablespictures from W. Ketterle et al. (MIT)

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images d'un condensat de Bose-Einstein

~ 106 atomes de sodium , W. Ketterle et al. (MIT, 1995)

dans un piège magnétique à T > Tc :

un nuage classique d'atomes T < Tc :

une onde de matière

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changements discontinus

température

pre

ssio

n

diagramme de phases

cristallisation

ébullition

solide liquide

gaz0

pointcritique

cavitation

Métastabilité:

l'eau peut rester liquide, en surfusion jusqu'à - 40°C (233 K), pendant un certain temps avant de geler;

ou surchauffée jusqu'à +200°C avant de bouillir,

et étirée jusqu'à - 1400 bar, une pression très négative avant que de la cavitation ait lieu

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Cavitation au coeur des tourbillons

1 tourbillon par pale

hélice

• près du coeur : grande vitesse (v ~ 1/r) et basse pression

• loi de Bernoulli : la somme P + 1/2 v2 est constante

• cavitation vers -1 bar (sur des microbulles d'air)

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nucléation "hétérogène" ou "homogène"(germination en bon français)

nucléation hétérogène sur défauts:parois, impuretés, défauts, radiations …favorisent les changement d'état

nucléation homogène:une propriété intrinsèque du système qui change d'état, indépendant des défauts ou impuretés éventuelles

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les crevettes du golfe du Mexique

D. Lohse et al.

Twente Univ. (The Netherlands)

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cavitation acoustique

des ondes acoustiques de grande amplitude peuvent produire des pressions très négatives et de la cavitation, et provoquer des changements d'état dans des fluides

pas de parois au centre, là où l'onde est focalisée:

un test de la stabilité intrinsèque des liquides

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cavitation acoustique:F.Caupin et S. Balibar (ENS-Paris)

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cristallisation acoustique et cavitation dans l'hélium liquide

S.Balibar, F. Caupin et X. ChavanneEcole Normale Supérieure, Paris

nucleation d'un cristal:

ondes acoustiques pulsées:1 MHz, 6 s,amplitude ~ 4 bar

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la tension de rupture de l'hélium liquide

à basse température, l'hélium liquide casse à -9 bar

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quelle est la tension de rupture de l'eau ?

existe-t-il une limite extrême au delà de laquelle l'eau passe nécessairement à l'état gazeux (l'eau "casse") :

-1500 bar at 35 °C ?

comment la cohésion interne de l'eau varie avec la pression et la température?

un test de la structure de l'eau (qui est toujours mal comprise en 2003!)

Q.Zheng, D.J. Durben, G.H.Wolf and C.A. Angell, Science, 254, 829 (1991)