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
Changements discontinus Changements 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 "sauf au "point critique"point critique"
l'eau gèle l'eau gèle
l'eau bout l'eau bout
plan de l'exposé plan de l'exposé
fluctuations : " opalescence critique"
fluctuations : " opalescence critique"
universalité: fluides, aimants, superfluidité et universalité: fluides, aimants, superfluidité et forme des cristaux
forme 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 continus changements continus
le changement le changement liquide
liquide gaz est continu gaz est continu au point critique
au point critique
un chemin particulier dans un chemin particulier dans le "diagramme de phases"
le "diagramme de phases"
température
pression
le diagramme de phases
cristallisation
ébullition
solide liquide
gaz
0
point critique près du point critique:
près du point critique:
grandes fluctuations grandes 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)
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Universalité des Universalité des
phénomènes critiques phénomènes critiques
progrès récents de la physique statistique (depuis 1970) progrès récents de la physique statistique (depuis 1970) Universalité
Universalité
:certains systèmes différents
certains systèmes différents
, par exemple une transition liquide-gaz et l'aimantation d'un morceau de feront les mêmes comportements ont 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 4 T = 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
Superfluides
découverte 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
indiscernables
pictures 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
pression
diagramme de phases
cristallisation
ébullition
solide liquide
gaz
0
point critique
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)
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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)
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cristallisation acoustique et cavitation dans l'hélium liquide
S.Balibar, F. Caupin et X. Chavanne Ecole 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)
