Comment la matière change-t-elle d'état ? Sébastien Balibar Laboratoire de Physique Statistique...
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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
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
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 ?
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
"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)
QuickTime™ et undécompresseur Animation
sont requis pour visionner cette image.
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)
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"
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.
la croissance des cristaux d'hélium
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
l'hélium superfluide ne bout pas
extrait du film historique
de
J. Allen et
J. Armitage
(St Andrews, Ecosse)
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)
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)
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
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
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)
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
les crevettes du golfe du Mexique
D. Lohse et al.
Twente Univ. (The Netherlands)
QuickTime™ et undécompresseur codec YUV420
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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
cavitation acoustique:F.Caupin et S. Balibar (ENS-Paris)
QuickTime™ et undécompresseur Animation JPEG A
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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
la tension de rupture de l'hélium liquide
à basse température, l'hélium liquide casse à -9 bar
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)