Comment la mati

1
Comment la matièrechange-t-elle d'état ?

• Sébastien Balibar
• Laboratoire de Physique Statistique
• Ecole Normale Supérieure (Paris)
• http//www.lps.ens.fr/balibar

enseignement ce que l'on sait recherches en
cours ce que l'on cherche à comprendre
lycée Montaigne, déc. 2003
2
Changements discontinus
l'eau gèle
l'eau passe d'un état liquide à un état
solide discontinu la densité de la glace est
différente de celle de l'eau liquide
l'eau bout
de l' état liquide à l'état gazeux un autre
changement discontinu la densité de la vapeur
est beaucoup plus faible que celle du liquide,
sauf au "point critique"
3
plan de l'exposé
continu ou discontinu ?
fluctuations "opalescence critique"
universalité fluides, aimants, superfluidité et
forme des cristaux
métastabilité et nucléation surfusion à quelle
température l'eau prend-elle en glace ?
cavitation comment casser de l'hélium liquide et
de l'eau ?
4
changements continus
le diagramme de phases
le changement liquide? gaz est continu au point
critique un chemin particulier dans le "diagramme
de phases"
cristallisation
pression
liquide
solide
point critique
ébullition
près du point critique grandes fluctuations
gaz
0
température
5
"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)
6
Universalité des phénomènes critiques
progrès récents de la physique statistique
(depuis 1970) Universalité certains systèmes
différents, par exemple une transition
liquide-gaz et l'aimantation d'un morceau de fer
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)
7
Fluides et aimants
Chaleur spécifique chaleur spécifique CP
-T(?2F/?T2)P CH -T(?2F/?T2)H compressibilité
susceptibilité magnétique kT -1/V
(?2F/?P2)T ?T - (?2F/?H2)T (T-Tc)-?g
(T-Tc)-?g 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" g????????
même "classe d'universalité"
8
les transitions rugueuses
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.
9
la croissance des cristaux d'hélium
10
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
11
l'hélium superfluide ne bout pas
extrait du film historique de J. Allen et J.
Armitage (St Andrews, Ecosse)
12
le "point lambda"
le comportement de la chaleur spécifique près du
point critique la lettre grecque"lambda"
(l) études très précises dans l'espace (pour que
la densité soit très homogène)
13
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)
14
images d'un condensat de Bose-Einstein
dans un piège magnétique à T gt Tc un nuage
classique d'atomes
T lt Tc une onde de matière
106 atomes de sodium , W. Ketterle et al. (MIT,
1995)
15
changements discontinus
Métastabilité l'eau peut rester liquide, en
surfusion jusqu'à - 40C (233 K), pendant un
certain temps avant de geler ou surchauffée
jusqu'à 200C avant de bouillir, et étirée
jusqu'à - 1400 bar, une pression très négative
avant que de la cavitation ait lieu
16
Cavitation au coeur des tourbillons

• près du coeur grande vitesse (v 1/r) et
  basse pression
• loi de Bernoulli la somme P 1/2 rv2 est
  constante
• cavitation vers -1 bar (sur des microbulles
  d'air)

17
nucléation "hétérogène" ou "homogène"(germinatio
n 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
18
les crevettes du golfe du Mexique
D. Lohse et al. Twente Univ. (The Netherlands)
19
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
20
cavitation acoustiqueF.Caupin et S. Balibar
(ENS-Paris)
21
cristallisation acoustique et cavitation dans
l'hélium liquideS.Balibar, F. Caupin et X.
ChavanneEcole Normale Supérieure, Paris
nucleation d'un cristal ondes acoustiques
pulsées 1 MHz, 6 ms, amplitude 4 bar
22
la tension de rupture de l'hélium liquide
à basse température, l'hélium liquide casse à -9
bar
23
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)