à propos de la cryogénie
Cet article a été publié* dans: The MacMillan Encyclopedia Of Chemistry, New York, 2002, écrit par: Dr.Ray Radebaugh du NIST
*Contribution du NIST, non soumise au droit d’auteur aux États-Unis
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la cryogénie est la science qui traite températures. Le mot provient des mots grecs « kryos » signifiant » gel « et » genic « signifiant » produire »., »En vertu d’une telle définition, il pourrait être utilisé pour inclure toutes les températures inférieures au point de congélation de l’eau (0 C). Cependant, le professeur Kamerlingh on de l’Université de Leiden aux Pays-Bas a utilisé le mot pour la première fois en 1894 pour décrire l’art et la science de produire des températures beaucoup plus basses. Il a utilisé le mot en référence à la liquéfaction de gaz permanents tels que l’oxygène, l’azote, l’hydrogène et l’hélium. L’oxygène avait été liquéfié à -183 C quelques années plus tôt (en 1887), et une course était en cours pour liquéfier les gaz permanents restants à des températures encore plus basses., Les techniques utilisées pour produire de telles basses températures étaient très différentes de celles utilisées un peu plus tôt dans la production de glace artificielle. En particulier, des échangeurs de chaleur efficaces sont nécessaires pour atteindre des températures très basses. Au fil des ans, le terme cryogénique a généralement été utilisé pour désigner des températures inférieures à environ -150 C.
selon les lois de la thermodynamique, il existe une limite à la température la plus basse pouvant être atteinte, connue sous le nom de zéro absolu. Les molécules sont dans leur état d’énergie le plus bas, mais fini, à zéro absolu., Une telle température est impossible à atteindre car la puissance d’entrée requise approche l’infini. Cependant, des températures de quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu ont été atteintes. Le zéro absolu est le zéro de l’échelle de température absolue ou thermodynamique. Elle est égale à -273,15 C ou -459,67 F. l’échelle absolue métrique ou SI (Système International) est connue sous le nom D’échelle Kelvin dont l’unité est le kelvin (et non le Kelvin) qui a la même magnitude que le degré Celsius., Le symbole de L’échelle Kelvin est K, Tel qu’adopté par le 13e Conseil Général des poids et mesures (CGPM) en 1968, et non K. Ainsi, 0 C est égal à 273,15 K. l’échelle absolue anglaise, connue sous le nom d’échelle de Rankine, utilise le symbole R et a un incrément identique à celui de L’échelle Fahrenheit. En termes d’échelle Kelvin, la région cryogénique est souvent considérée comme inférieure à environ 120 K (-153 C). Les gaz permanents communs mentionnés précédemment passent du gaz au liquide à la pression atmosphérique aux températures indiquées dans le tableau 1, appelé point d’ébullition normal (NBP)., Ces liquides sont appelés liquides cryogéniques ou cryogènes. Lorsque l’hélium liquide est refroidi plus loin à 2,17 K ou moins, il devient un superfluide avec des propriétés très inhabituelles associées à l’état fondamental de la mécanique quantique. Par exemple, il a une viscosité nulle et produit un film qui peut se glisser sur les parois d’un récipient ouvert, tel qu’un bécher, et s’égoutter du fond tant que la température du récipient reste inférieure à 2,17 K.
la mesure des températures cryogéniques nécessite des méthodes qui ne sont peut-être pas si familières au grand public., Les thermomètres normaux au mercure ou à l’alcool gèlent à des températures aussi basses et deviennent inutiles. Le thermomètre à résistance au platine a un comportement bien défini de résistance électrique par rapport à la température et est couramment utilisé pour mesurer les températures avec précision, y compris les températures cryogéniques jusqu’à environ 20 K. certains matériaux semi-conducteurs, tels que le germanium dopé, sont également utiles comme thermomètres à résistance électrique pour des températures inférieures ou égales à 1 K, à condition qu’ils soient étalonnés sur la plage à utiliser., De tels thermomètres secondaires sont calibrés contre des thermomètres primaires qui utilisent des lois fondamentales de la physique dans lesquelles une variable physique change d’une manière théorique bien connue avec la température.
la production de températures cryogéniques utilise presque toujours la compression et la dilatation des gaz. Dans un processus typique de liquéfaction de l’air, l’air est comprimé, ce qui le fait chauffer et laisser refroidir à température ambiante tout en restant sous pression. L’air comprimé est ensuite refroidi dans un échangeur de chaleur avant de pouvoir se dilater à la pression atmosphérique., L’expansion provoque le refroidissement de l’air et une partie de celui-ci se liquéfie. La partie gazeuse refroidie restante est renvoyée par l’autre côté de l’échangeur de chaleur où elle pré-refroidit l’air haute pression entrant avant de retourner au compresseur. La partie liquide est généralement distillée pour produire de l’oxygène liquide, l’azote liquide, et de l’argon liquide. D’autres gaz, tels que l’hélium, sont utilisés dans un processus similaire pour produire des températures encore plus basses, mais plusieurs étapes de dilatation sont nécessaires.
la Cryogénie a de nombreuses applications., Liquides cryogéniques, tels que l’oxygène, l’azote et l’argon, sont souvent utilisés dans des applications industrielles et médicales. La résistance électrique de la plupart des métaux diminue à mesure que la température diminue. Certains métaux perdent toute résistance électrique en dessous d’une certaine température de transition et deviennent supraconducteurs. Un électro-aimant enroulé avec un fil d’un tel métal peut produire des champs magnétiques extrêmement élevés sans génération de chaleur et sans consommation d’énergie électrique une fois que le champ est établi et que le métal reste froid. Ces métaux, typiquement des alliages de niobium refroidis à 4.,2 K, sont utilisés pour les aimants des systèmes d’imagerie par résonance magnétique (IRM) dans la plupart des hôpitaux. La supraconductivité dans certains métaux a été découverte pour la première fois en 1911 Parnes, mais depuis 1986, une autre classe de matériaux, connus sous le nom de supraconducteurs à haute température, se sont révélés supraconducteurs à des températures beaucoup plus élevées, actuellement jusqu’à environ 145 K. ils sont un type de céramique, et en raison de leur nature fragile, ils sont,
D’autres applications de la cryogénie comprennent la congélation rapide de certains aliments et la conservation de certains matériaux biologiques tels que le sperme de bétail ainsi que le sang humain, les tissus et les embryons. La pratique consistant à congeler un corps humain entier après la mort dans l’espoir de restaurer plus tard la vie est connue sous le nom de cryonie, mais ce n’est pas une application scientifique acceptée de la cryogénie. La congélation de parties du corps pour détruire les tissus indésirables ou défectueux est connue sous le nom de cryochirurgie. Il est utilisé pour traiter les cancers et les anomalies de la peau, du col de l’utérus, de l’utérus, de la prostate et du foie.,
Bibliographie
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Cryogéniques de la Société de l’Amérique, à Froid les Faits Newsletter, disponible à partir de www.cryogenicsociety.org.