Pour José Angel Martin Gago y Mar Gulis (SCCI)*
À un certain moment de la vie, qui d’autre a aimé boire un café chaud dans un environnement très froid, éloigné ou dans lequel, par exemple, il y a très peu de chances de trouver une cafétéria. Le moyen le plus courant d’y parvenir est d’utiliser un thermos simple et bon marché. Mais, vous êtes-vous déjà interrogé sur le mécanisme qui rend ce « miracle » possible ? Cela a à voir avec le vide. Ici on vous l’explique.
Un thermos est composé de deux récipients : un intérieur, en contact avec le liquide que l’on veut maintenir à une température donnée ; et un autre extérieur, en contact avec l’environnement et qui supporte généralement le thermos. L’intérieur est maintenu par le col avec l’extérieur par une portion minimale de matière et laissant un petit espace, vide d’air, entre les deux vaisseaux. De cette façon, le thermos isole l’espace intérieur, où notre café est conservé à 40 °C, de l’extérieur, qui peut être à 4 °C.
Si le récipient qui contient le café était en contact direct avec l’environnement, en quelques minutes le café acquerrait la température de l’environnement et nous le boirions froid. En échange, si on vide l’espace entre les deux vaisseaux d’air, on arrive à les isoler thermiquement. Cela s’explique par la théorie cinétique des gaz: Le transfert de chaleur est essentiellement dû à l’échange d’énergie entre les molécules les plus chaudes et les plus froides lorsqu’elles entrent en collision les unes avec les autres. Avec ça chambre à vide intermédiaire on obtient que la conductivité thermique entre les deux récipients soit pratiquement nulle. C’est-à-dire que sans molécules d’air qui transfèrent de la chaleur, le récipient intérieur restera isolé et, par conséquent, sa température ne variera pas.
Fait intéressant, ce développement n’est pas aussi récent qu’on pourrait le supposer. Le premier à le faire fut le physicien écossais James Devar en 1892. C’est pourquoi ces récipients qui assurent l’isolation thermique sont connus sous le nom de Dewar ou Verres Dewar.
Un fait très illustratif de l’efficacité de ce processus est que, si le vide était dans la plage d’ultra-vide (avec des pressions similaires à celles qui peuvent exister dans l’espace interplanétaire) et le contact entre les deux conteneurs était inexistant ou minime, il pourrait garder le café chaud plus de dix ans. Cependant, dans le cas d’un thermos conçu pour des liquides ou des aliments, le vide intermédiaire correspond à ce que l’on appelle Sous vide (la pression est légèrement inférieure à la pression atmosphérique), ce qui fait que les molécules d’air entrent en contact avec les deux surfaces, et notre café finit par refroidir.
Cryogénie : du thermos du café au transport de l’azote liquide
Cependant, pour de nombreuses applications technologiques, l’azote liquide ou l’hélium est utilisé, éléments qui doivent être conservés à très basse température et qui sont transportés dans des conteneurs métalliques de plusieurs centaines de litres. La différence thermique entre les murs intérieurs et extérieurs dans ces cas est très importante (plus de 200 °C). Si nous devions utiliser un mécanisme comme celui d’un thermos normal, l’azote liquide ou l’hélium se sublimeraient facilement et passeraient d’un liquide à un gaz. Pour éviter cela, il est nécessaire d’avoir un vide poussé entre les deux surfaces (pressions inférieures à un million de fois la pression atmosphérique, soit inférieures à 10-6 millibars de pression). Lorsque cela est réalisé, les réservoirs ou vases Dewar qui transportent ces substances peuvent contenir et stocker de l’azote liquide pendant plusieurs semaines à -196°C.
L’utilisation des températures cryogéniques est beaucoup plus étendue qu’on ne pourrait l’imaginer. En biologie, en biochimie ou en médecine, la cryogénie est très importante pour la conservation des cellules et des cultures, telles que le sperme et les ovules ; des médicaments, tels que certains vaccins ; ou pour traiter certains aliments. Également dans les tests de diagnostic, tels que la résonance magnétique nucléaire. D’un point de vue technologique, de nombreux dispositifs de recherche, tels que les détecteurs de rayonnement ou les aimants supraconducteurs, nécessitent de l’azote liquide ou de l’hélium pour fonctionner. Par conséquent, indirectement, le vide aide à conserver et à transporter ces substances cryogéniques et rend ces technologies possibles au quotidien.
* José Angel Martin Gago Il est chercheur au CSIC à l’Institut des sciences des matériaux de Madrid (ICMM-CSIC) et auteur du livre populaire ¿Qué sabemos de? Vide (CSIC-Cascade).