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Température d'équilibre dans une postluminescence proche d'hélium à une pression de quelques torrs

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Academic year: 2021

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(1)

HAL Id: jpa-00208430

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Température d’équilibre dans une postluminescence proche d’hélium à une pression de quelques torrs

C. Samba, A. Bouvier (mme), A. Bouvier

To cite this version:

C. Samba, A. Bouvier (mme), A. Bouvier. Température d’équilibre dans une postluminescence proche d’hélium à une pression de quelques torrs. Journal de Physique, 1976, 37 (4), pp.359-364.

�10.1051/jphys:01976003704035900�. �jpa-00208430�

(2)

TEMPÉRATURE D’ÉQUILIBRE DANS UNE POSTLUMINESCENCE

PROCHE D’HÉLIUM A UNE PRESSION DE QUELQUES TORRS

C.

SAMBA,

A. BOUVIER

(Mme)

et A. BOUVIER

Laboratoire de

Spectroscopie

et de Luminescence

(*)

Université Claude

Bernard, Lyon I, 43,

bd du

11-Novembre-1918,

69621

Villeurbanne,

France

(Reçu

le 14 novembre 1975,

accepti

le 3 decembre

1975)

Résumé. 2014 L’existence d’un équilibre

thermodynamique

local partiel dans une

postluminescence proche

d’hélium excité par des

impulsions

d’ondes centimétriques, à des pressions de

quelques

torrs,

a

permis

d’obtenir une température

électronique

de 2 800 ± 500 K. Elle ne varie pas notablement

pendant

la dizaine de microsecondes qui suit la décharge, ce qui permet de montrer que la température

du gaz est alors de 700 ± 100 K.

Abstract. 2014 Helium is excited

by

microwaves to set up a

pulsed discharge

at a pressure of a few torrs. Local

partial thermodynamical equilibrium

exists in the

early afterglow.

This fact is used to determine the electronic temperature, the value of which is 2 800 ± 500 K.

During

the first ten

microseconds after the

pulse

it does not vary much. This result suggests that the gas temperature is 700 ± 100 K.

Classification

Physics Abstracts

5.250

1. Introduction. - Le but

principal

de ce travail

est de rechercher dans un

plasma

d’h6lium faiblement ionis6 non

homog6ne

et en

relaxation,

a la

pression

de

3,37

torrs, si les conditions

d’6quilibre thermodyna- mique

sont

remplies

entre divers niveaux d’excitation de 1’atome d’helium. Si

I’ équilibre

est

realise,

des

mesures

spectroscopiques permettent

de determiner

une

temperature

dont on donnera la

signification.

De nombreux auteurs ont

d6jA

abord6 le calcul de la

population

de différentes

particules

dans un

plasma

a

partir

des relations

exprimant l’équi-

libre

[1, 2].

On a utilise les resultats de Drawin

[3] qui

traitent de 1’existence de

1’equilibre thermodynamique

dans un

plasma

constitue d’atomes

hydrog6noides

ou d’h6lium.

2. Conditions nécessaires pour obtenir un

equilibre thermodynamique

local dans un

plasma

non

homogine,

faiblement

ionise,

en relaxation

[4].

- 2.1 CAS DU

PLASMA OPTIQUEMENT MINCE,

HOMOGENE,

EN REGIME

PERMANENT. - On sait que

lorsque 1’6quilibre

ther-

modynamique

est

realise,

il existe une seule

temp6-

rature

qui

fixe toutes les fonctions de distribution.

Ceci

implique

la microréversibilité des processus dus

aux collisions et au rayonnement. Le milieu doit donc etre

optiquement 6pais,

ce

qui

n’est pas le cas dans les

pr6sentes experiences,

les

plasmas

etudies devant etre

considérés,

au contraire comme

optiquement

minces

(*) Equipe de Recherche Associee au C.N.R.S. no 302.

pour les radiations autres que les raies de resonance.

S’il

n’y

a micror6versibilit6 que pour les processus dus aux

collisions,

il existe un

6quilibre

thermo-

dynamique

local

(E.T.L.).

Cet

6quilibre

n’est que

partiel lorsque

dans un 616ment de volume

quelconque,

seules certaines

cat6gories

de

particules

sont en

6quilibre thermodynamique.

Dans le cas ou il existe

un E.T.L.

partiel

entre les electrons et les atomes

excites dans certains

niveaux,

les chocs

6lectroniques imposent 1’equilibre

dans ces niveaux et ceci d’autant

plus

facilement que ces demiers sont

plus proches

les

uns des autres.

D’une mani6re

g6n6rale,

les

phenomenes

d’excita-

tion et de d6sexcitation de type radiatif sont en

concurrence avec les

ph6nom6nes

de type collisionnel.

11 faut donc connaitre le

phenomene responsable

de

1’equilibre

afin de donner une

signification

a la tem-

p6rature.

2.2 CAS DU PLASMA OPTIQUEMENT MINCE, NON HOMOGTNE ET EN RELAXATION. - Dans un

plasma

en

relaxation,

outre les considerations

d6jA

envi-

sag6es,

entre en

ligne

de compte le temps n6cessaire à l’établissement de

1’equilibre.

n faut que les variations de

temperatures

et de densit6s des diverses

particules

soient

beaucoup plus

lentes que 1’etablissement de 1’excitation et de l’ionisation. Drawin a

propose

des

valeurs

th6oriques

pour les temps d’établissement de

1’equilibre

en fonction du niveau excite

[3],

valeurs

peu différentes de celles obtenues par Griem

[5].

Pour

la constante de temps relative a un niveau de nombre

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01976003704035900

(3)

360

quantique principal j,

Drawin donne

1’expressior

suivante :

ou

03C8’1

est une fonction tabul6e par l’auteur

[3] ;

ne, la densite

électronique

en

cm- 3 ; T,

la

temperature d’equilibre ;

Z = 1 pour les atomes neutres;

EH

est

1’energie

d’ionisation de

1’hydrogene

en eV.

Le

plus

souvent rj est nettement inf6rieur aux

constantes de temps de variation des

grandeurs macroscopiques

du

plasma.

Dans le cas d’un

plasma spatialement

non homo-

gene,

on peut écrire

I’équation

de Boltzmann en

regime

transitoire :

ou

Nj d6signe

la

population

des

particules

dans

1’etat j et ( Wj >

leur vitesse moyenne de diffusion. Le deuxi6me terme du second membre de

(2) qui

traduit

l’inhomog6n6it6

du

milieu,

vaut :

ou

Dj

est le coefficient de diffusion et A un

param6tre dependant

de la

géométrie

de la cellule et de l’inhomo-

g6n6it6

du

plasma.

Suivant

l’importance

relative des deux termes du second membre de

(2),

c’est la relaxa- tion

temporelle

ou

l’inhomog6n6it6

du milieu

qui

a

l’influence

pr6dominante

sur 1’E.T.L.

Or

L’equitibre

ne sera pas

perturb6

par la diffusion si :

Dans le cas d’un milieu faiblement ionis6

(ne/No 1 %) le

coefficient

pj depend

surtout des

collisions entre

particules

neutres; c’est alors le coefficient de diffusion pour un

m6lange

binaire

(Nj, No).

Habituellement

l’inégalité (5)

est vérifiée

pour les niveaux de nombre

quantique j

6lev6.

3.

Application

de la th6orie de 1’E.T.L. au

plasma

ktudik. - On examine dans

quelle

mesure le

plasma r6pond

aux conditions

d’6quilibre expos6es pre-

cédemment.

3.1 Drawin a montr6 que dans un milieu ou les chocs

qui jouent

le

plus grand

role dans 1’etablissement de

1’equilibre

sont les chocs

6lectroniques,

la densite

6lectronique

doit n6cessairement v6rifier la relation suivante :

ou

T,, d6signe

la

temperature 6lectronique

et 0 est une

fonction calcul6e par Drawin. La relation

pr6c6dente,

a

1’egalite, implique

que 1’effet des collisions 6lectro-

niques

est dix fois

plus important

que celui du rayon- nement.

11 en résulte que

1’equilibre

n’est realise que pour les

niveaux j > jT ofi jT d6signe

le

plus petit

nombre

quantique

satisfaisant la relation

(6)

pour une densite

électronique ne

donn6e.

On

peut

faire une estimation

de ne

a la fin de la

d6charge.

La

frequence

propre (op du

plasma

est

donn6e par la relation

[6] :

Quand

la densite

6lectronique croit,

la

frequence

propre du

plasma

augmente et

lorsque wp/2 n d6passe

la

frequence w/2t

de l’onde

excitatrice,

le

plasma

devient hautement

réfléchissant,

de sorte que la concentration des electrons ne peut

d6passer

nota-

blement la valeur d6duite de la relation

(7)

avec cop = (10.

Sachant que w = 9 000 MHz dans les

experiences effectuées,

on obtient pour ne : 3 x

1012 CM-3.

Or

l’in6galit6 (6)

est vérifiée dans les conditions suivantes :

pour j = 5

et

Te = 3 x 103 K,

on doit avoir

ne >

3 x

1012 cm-3.

Pour la densite

6lectronique

consideree

l’ équilibre

est

impose

par les electrons et doit s’etendre

aux atomes d’h6lium des

niveaux j

= 5

jusqu’au

niveau d’ionisation.

On a v6rifi6 que

pour j

=

4,

au

contraire,

c’est

1’effet du rayonnement

qui

devient a peu

pres

dix fois

plus grand

que celui des collisions

6lectroniques.

3.2 On va comparer maintenant l’influence des chocs des atomes excites avec les

electrons,

d’une

part,

et avec les atomes dans 1’etat

fondamental,

d’autre part.

Pour un atome excite dans un niveau

j,

1’efficacite relative de ces deux types de chocs se traduit par la valeur du terme B suivant :

Q

d6signant

les sections de chocs et v les vitesses relatives des

partenaires

du choc.

(4)

Pour évaluer B on a confront6 les calculs des sections de chocs donn6s par Drawin

[3],

Griem

[5]

et Bates

et Khare

[7].

On obtient pour B des valeurs

comprises

entre 10-’ et

10-5,

ce

qui

permet de conclure que pour les

niveaux j >

5 la

temperature d’6quilibre

est la

temperature 6lectronique

dans le cas ou les d6fauts

d’inhomogénéité spatiale

et

temporelle

ne sont pas trop

importants.

Dans

1’expression (8),

on a utilise

Te

= 3 000

K,

valeur d6duite de

1’exp6rience,

ainsi

qu’on

le verra

plus loin,

et

To

= 1 000

K, temperature

du gaz la

plus

vraisemblable pour ce type de

decharge.

Des

experiences d’absorption

faites ant6rieurement dans les memes conditions

[8]

ont conduit a des densites

d’atomes m6tastables de

101 °-1011 cm-3,

ce

qui correspond

bien a des

plasmas optiquement

minces

(6paisseur optique ko

L

1).

3.3 Les constantes de d6clin des

grandeurs

macro-

scopiques

d6duites des variations de la

population

des m6tastables dans ces

experiences

et des variations

des

quantites Te et

ne au d6but de la

postluminescence

obtenues par Allab

[9],

sont de l’ordre de

10- 5

s.

D’autre part, la mesure du

temps

de montee de l’im-

pulsion

lumineuse au debut de la

d6charge

montre

que

1’equilibre

s’etablit en

10-6

s environ. Ces cons- tantes de temps sont toutes nettement

sup6rieures

a la

valeur de ij calcul6e

d’apres

la relation

(1),

soit Ti -

10- 8

s. La relaxation

temporelle

permet donc l’ établissement de

1’equilibre.

3. 4 11 reste a considerer la condition definie par la relation

(5) qui

doit etre

remplie

pour tous les 6tats de nombre

quantique j >

5.

On assimile la cellule a une

sphere

de rayon 5 x

10-2

m, d’ofj A = 9 x

10-3

m.

Le coefficient de diffusion mutuelle des atomes d’h6lium est :

Sachant que Tj est de l’ordre de 10-8 s,

Ainsi,

on peut considerer

qu’un 6quilibre thermody- namique

local

partiel

existe au d6but de la

postlu-

minescence entre les electrons et les atomes dans les 6tats excites de nombres

quantiques j sup6rieurs

a 5

et il en résulte que 1’on

peut

d6duire la

temperature 6lectronique

de la mesure des intensit6s des raies

spectrales.

4. Etude

expkrimentale.

- 4.1 LE DISPOSITIF. -

11

comprend

la cellule contenant le

plasma,

le

g6n6-

rateur de microondes et le

r6cepteur.

La cellule de quartz

disposée

a 1’extremite d’un

guide

d’onde a la forme d’une

sphere

modifiée pour permettre la visee de la zone de

d6charge.

Le

plasma

est cree par des

impulsions

d’ondes centi-

m6triques

de

longueur

d’onde

3,2

cm a la

frequence

de

repetition

800 Hz. La duree de

l’impulsion

est de

2 ps ; la

puissance

moyenne d6livr6e par le

g6n6-

rateur a ete mesur6e a la sortie du

guide d’onde,

elle est de 48 W.

Le

r6cepteur

est constitue par un ensemble compre- nant un monochromateur HILGER et WATTS D285 a

optique

de verre ou de quartz, un

photomultiplica-

teur XP 1003 LA

RADIOTECHNIQUE

», un

int6grateur

BOXCAR BROOKDEAL

ANTARES,

un

oscilloscope

et un

enregistreur.

4.2 PTSULTATS DES MESURES. - Le

dispositif

de

reception

a ete étalonné en

6nergie

entre 2 500 et

8 000

A,

ce

qui

a

permis

de mesurer les

populations

relatives des atomes d’h6lium excites dans divers niveaux.

Soit

No

la

population atomique

totale en

6quilibre.

Pour un niveau de nombre

quantique j

et

d’6nergie Ej,

la

population Nj

ob6it a la loi

[4] :

j

prenant les valeurs

correspondant

a tous les niveaux

en

6quilibre

a la

temperature

T.

Pj

est la somme des

probabilités

pour que le niveau ne soit pas d6truit par interaction avec un electron et un atome.

Nj s’exprime

en fonction de l’intensit6

Ijk

d’une raie

correspondant

a une

transition j

--> k

Àjk

est la

longueur

d’onde de la raie

consideree ; A jk,

la

probabilite

de transition

correspondante.

Si

J jk

est la valeur du

signal 6lectrique mesure,

on a :

0153 jk 6tant le coefficient de sensibilite

spectrale

relative

au

r6cepteur.

On a tenu compte

6galement

du coeffi-

cient de transmission de la

paroi

de quartz traversee.

En

6galant (9)

et

(10)

et en utilisant la relation

(11),

on obtient :

Tous les

parametres

de

(12)

sont connus

[11];

dans

les conditions

pr6sentes

les

Pi

sont tous voisins de 1 a

10-3 pres [4].

On a effectu6 les mesures de

Jjk

aux

temps t =

1; 3,25

et

12 ps apres

le d6but de

l’impulsion

et pour des

regions

du

plasma

situ6es a

0,5

et

2,5

cm de 1’extr6mit6 du

guide d’onde,

la

pression

dans le

(5)

362

FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3, FIG. 4.

Variation experimentale du paramètre Log X en fonction de 1’6nergie du niveau superieur de la transition étudiée ou :

ballon 6tant de

3,37

torrs, et l’ on a trace les courbes donnant le

logarithme

du

premier

membre de la relation

(12)

en fonction de

1’energie Ej

du niveau

sup6rieur

des diverses transitions 6tudi6es

(Fig.

a, b

et

c).

On constate effectivement que les

populations

des 6tats tels

que j >

5 sont en

équilibre

tandis que celles

qui correspondent A j

= 3 se trouvent tr6s

nettement hors

d’6quilibre.

Les

phenomenes

radiatifs

importants

pour ces niveaux

(plasma mince) expli-

quent que ces demiers soient

sous-peupl6s (Fig. d).

On

peut donc d6duire des mesures des intensit6s relatives des raies une

temperature qui

est la

tempe-

rature

6lectronique.

Pour la distance

0,5

cm, on trouve :

L’evaluation de l’incertitude a ete faite en tenant

compte

des erreurs

expérimentales

et de l’incertitude

sur les donn6es.

La

temperature electronique

est donc de l’ordre de 2 800 K et elle varie peu

pendant

la

premiere

dizaine de microsecondes

qui

suit la

d6charge.

De

plus,

les mesures effectuées a

2,5

cm donnent a 5

% près,

la meme valeur pour

Te.

La

longueur

de

diffusion 6tant pour le

premier

mode environ

0,9

cm, ce resultat met en evidence une

homogeneite

de tem-

p6rature

meilleure que celle que 1’on devrait attendre

en ne consid6rant

qu’un

seul mode de diffusion. 11 est donc

probable

que

plusieurs

modes de diffusion interviennent..

4.3 DISCUSSION Er CONCLUSION. - En

appliquant

les calculs de

Drawin,

on a trouve que dans les condi- tions

expérimentales utilis6es,

il devait se

produire

un

equilibre thermodynamique

local

partiel

entre les

(6)

electrons et les atomes d’h6lium dans les niveaux

j >

5. Les

experiences

ont montre que cet

6quilibre

existait

réellement,

la

temperature obtenue, qui

est la

temperature 6lectronique,

6tant environ 2 800 K à 25

% pres.

On va examiner maintenant

pourquoi

cette

temp6-

rature semble ne pas varier

pendant

les douze

premieres

microsecondes

qui

suivent la

d6charge.

On

rappelle les-principaux

mécanismes de

chauffage

et de refroidissement des electrons

pendant

cette

p6riode

en se r6f6rant a divers travaux

[12, 13, 14, 15].

4.3.1 En

postluminescence, plusieurs types

de reactions contribuent a

produire

des electrons

chauds,

les chocs métastable-métastable et les chocs electron- atome

excite ;

une

partie

de

1’energie

lib6r6e 6tant c6d6e

aux electrons maxwelliens :

Lorsque

la concentration des atomes

He(2 ’S)

est

importante,

ce

qui

est le cas dans ces

experiences

ou elle

est du meme ordre de

grandeur

que celle des

He(2 3S) [8],

c’est essentiellement la reaction

(c) qui

foumit de

1’6nergie

aux electrons. Le taux de cette reaction est

y = a ve.>

avec a=4x

10-14 cm’ [14];

le nombre d’61ectrons chauds form6s en 1 s est

yne S,

oit S est la concentration des atomes

he(21 S).

L’éner-

gie

moyenne fournit aux electrons maxwelliens est

alors [15] :

4.3.2 Le seul m6canisme de refroidissement des electrons est celui du aux chocs des electrons avec les atomes neutres

No.

Cela

suppose Te

>

To.

Le taux

de cette reaction est

[15] :

Et

si 3kTr

3

eV, 1’6nergie perdue

par un electron maxwellien en une seconde a pour valeur :

mo et me etant les masses

respectives

des atomes et des

electrons.

On considere comme

negligeable

la variation d’6ner-

gie

de l’atome due aux

6changes

avec les 6lectrons.

On peut alors calculer la variation

approximative

de la

temperature 6lectronique pendant

les 12 pre- mi6res microsecondes

apres

la

d6charge (en

ne tenant

pas compte de la

diffusion).

On ecrit

qu’en

1 s on a :

La relation

(16)

est

int6grable

si S est

independant

du temps. On a considere que S ne variait pas sur un

intervalle de 1 J.1S et on a cherché a obtenir une

temp6-

rature

T.

du gaz

qui

satisfasse a la condition que

Te

ne varie que dans le domaine des erreurs

experi-

mentales

[16].

On a ainsi trouve :

On en deduit que dans un

plasma

en

postlumines-

cence

proche,

la

temperature 6lectronique peut

varier tres peu

pendant

la

premiere

dizaine de microsecondes si la

temperature

du gaz est telle que les processus

d’6change d’6nergie

entre les electrons et les atomes

neutres ont lieu avec un bilan donn6 par la relation

(15)

voisin de zero. De cette

maniere,

serait

expliqu6e

la

tres faible variation de la

temperature Te

obtenue à

partir

des mesures

spectroscopiques.

Remerciements. - Les auteurs remercient vivement M. Drawin pour l’int6r8t

qu’il

a

port6

a ce travail et les

fructueuses discussions

qu’il

a eues avec M. Samba.

(7)

364

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C. R. Hebd. Séan. Acad. Sci. 281B (1975) 587.

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