Qu'est-ce que le zéro absolu ?

Il s'agit de la plus basse température qui puisse être théoriquement atteinte. Lorsqu'un corps atteint le zéro absolu il est impossible de le refroidir encore plus. Il se retrouve alors dans un état figé.

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Un peu d'histoire

 

Qui a découvert le zéro absolu ?
William Thomson.

Nous sommes en 1702 quand un physicien et académicien français, Guillaume Amontons, évoque pour la première fois la notion de zéro absolu lors de ses travaux sur la relation entre la température et la pression des gaz. Il a observé qu'en passant d'une température froide à celle de l’ébullition de l'eau (100°C) qu'un volume fixe de gaz confiné voyait sa pression augmenter d'un tiers. Ce qui rentre en cohésion avec la loi des gaz parfaits :

    \[P\cdot V=nRT\]

Avec :

  • P pression du gaz en Pascals (Pa)
  • V volume du gaz en mètres-cubes (m3)
  • n quantité de matière en moles (mol)
  • R constante des gaz parfaits en Joules par moles par Kelvin : 8,314 J.mol-1.K-1
  • T température du milieu en Kelvin (K)

En 1848, William Thomson, aussi appelé Lord Kelvin, propose une échelle de température absolue. D'après celle-ci, une réduction de la température mesurée correspond à une réduction équivalente dans la chaleur du corps étudié. Ce concept, nécessitant de se libérer des contraintes de la loi des gaz parfait, établit alors un zéro absolu comme étant la température à laquelle plus aucune chaleur ne peut être tirée du corps.

Que se passe-t-il lorsque le zéro absolu est atteint ?

En thermodynamique la température est une grandeur physique qui traduit l'agitation des molécules et de leur atomes (déplacements, vibrations, rotations). Lorsque le zéro absolu est atteint la matière devrait donc être inerte, ne vibrerait plus, ne tournerait plus et chaque particule posséderait une énergie cinétique nulle.

Cependant la mécanique quantique prévoit que d'autres phénomènes devrait survenir à l'approche du zéro absolu, en particulier la matière pourrait atteindre des états encore inconnus.

Le zéro absolu dans les différentes échelles de température

Le zéro absolu correspond à l'origine des échelles Kelvin et Rankine. Donc par définition il correspond à une température T = 0 K = 0 Ra. Dans l'échelle Celsius il correspond à une température T = -273,15 °C et dans l'échelle Fahrenheit il correspond à une température T = -459,67 °F.

Atteindre le zéro absolu

Le zéro absolu n'a encore jamais été atteint mais une équipe de chercheurs du MIT (Massachusetts Institute of Technology) aux USA a annoncé en juin 2015 avoir réussi à refroidir une molécule jusqu'à une température de 5 x 10-9 K : découvrez l'expérience zéro absolu du MIT.

Comment refroidir la matière au minimum ?
Les lasers en image.

Pour ce faire, ils ont refroidi un gaz de sodium et de potassium à l'aide d'un laser refroidisseur d'atomes.

En pratique, il est maintenant courant d'atteindre la température de 0,21 K en faisant évaporer de l'hélium, mais avec une autre méthode qu'on appelle la "désaimantation adiabatique de substances paramagnétiques". Avec cette dernière, on peut obtenir des températures encore plus basses, jusqu'à 1 × 10−6 K !

Il ne faut donc pas renoncer à l'espoir d'atteindre un jour cette température.

Principe de la désaimantation adiabatique de substances paramagnétiques

Il faut placer un matériau paramagnétique (qui s'aimante facilement) à refroidir dans un champ magnétique extérieur qui peut, par exemple, être produit par une bobine.

L’aimant de la boussole va alors s’aligner sur le champ magnétique terrestre. Ainsi, les moments du matériau vont s’aligner sur la direction et le sens du champ. Ceci est d'autant plus facile à effectuer si les moments sont en faible interaction.

Plus le champ est intense, plus il y aura de moments magnétiques alignés. Le désordre se trouve ainsi réduit, l’entropie, c'est à dire l'extension, diminue.

La transformation est exothermique, cela signifie que la réaction libère de l'énergie thermique, de la chaleur. On appelle cela l’effet magnétocalorique. En pratique, le matériau est lié à un bain thermique isotherme, c'est à dire à température constante, pour évacuer la chaleur produite lors de l’aimantation.

Si on isole ensuite thermiquement le matériau, et que l'on réduit le champ magnétique. Les moments magnétiques vont retourner à leur orientation aléatoire, ce qui demande de l’énergie, et donc souvent une absorption d'énergie thermique, donc de chaleur.

Maintenant que le système est isolé, les moments vont puiser dans l’énergie thermique et la température du matériau va baisser : c’est le principe de la désaimantation adiabatique.

Supraconductivité et superfluidité

Supraconductivité

Qu'est-ce que la supraconductivité ?
Mais où est la lumière ?

La supraconductivité, ou supraconduction, correspond à un état de la matière dans lequel il y a absence totale de résistance électrique mais dans laquelle il y a expulsion du champ magnétique (on parle d'effet Meissner). On appelle ces matériaux des matériaux supraconducteurs.

Puisque la supraconductivité permet de transporter de l'électricité sans perte, ces utilisations potentielles sont stratégiques.

La supraconductivité est découvert en 1911 par Heike Kamerlingh Onnes, un physicien néerlandais, et son équipe.

Ce physicien avait réussi à liquéfier pour la première fois de l'hélium en 190. Grâce à cela, il a pu mener des mesures physiques jusqu'à des températures de 1,5 K (-271,6 °C). Il avait alors décidé de mesure toutes les propriétés de la matière à très basse température, en particulier la mesure de la résistance électrique des métaux.

C'est en avril 1911 que l'équipe mesure la résistivité électrique (ou résistance électrique) du mercure. Contre toute attente, la résistance électrique du mercure devient nulle en dessous d’une certaine température appelée température critique, notée Tc, de l'ordre de 4,2 K pour le mercure.

Cette température critique change selon le matériau étudié. Ce fut la première observation d'un état supraconducteur. Mais, à cette époque, cet état fut confondu avec un conducteur idéal.

Superfluidité

La superfluidité correspond à un état de la matière dans lequel celui-ci possède une viscosité nulle. Cela signifie que le matériau peut se déplacer dans des canaux capillaires ou des fentes étroites sans aucune viscosité, c'est à dire qu'il n'y a aucune résistance à un écoulement laminaire (régulier).

La superfluidité a trouvé des applications dans la théorie de l'hélium liquide, mais aussi et surtout en astrophysique, en physique des particules et dans la théorie quantique des champs.

Elle a été découverte en 1937 par Pyotr Leonidovitch Kapitsan, John F. Allen et A. Don Misener, même si elle a d'abord été décrite comme une propriété de l'hélium.

En effet, ces scientifiques ont constaté qu'en dessous de ce qu'ils ont appelé le point lambda (λ), à une température critique de 2,17 K, ce qui correspond à −270,98 °C, l'hélium subissait un changement de phase puisque cet hélium passait d'un état liquide à un autre aux propriétés pourtant différentes.

Cette expérience que ne sera confirmée que bien plus tard, montrera que cet état nouvellement découvert de l'hélium présentait une très bonne propriété de conduction thermique, c'est à dire qu'il conduisait très bien la chaleur. Or, cette propriété ne pouvait s'expliquer que par une faible viscosité.

D'autres expériences plus spécifiques à la mécanique des fluides montrèrent que l'écoulement de l'hélium dans un tuyau était indépendant de la pression appliquée sur les parois du tuyau mais aussi que cet écoulement était indépendant de la section du tuyau.

Puisque l'écoulement est indépendant de la pression ou de la section du tuyau étudié, cela signifiait que le liquide présentait une absence totale de viscosité. On a alors appelé ce phénomène : superfluidité.

Maintenant que vous savez tout sur le Zéro Absolu, si vous êtes encore chaud, vous pouvez étudier l'article de Superprof sur l'étude énergie thermique !

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).