LE CONCEPT DE VIDE EN PHYSIQUE (Travaux Pratiques Encadrés - Espaces pédagogiques interactifs)

« Signalons à ce propos qu'il s'agit là justement de la taille d'une étoile à neutrons ...

LE VIDE ET LE BIC -BANC La physique moderne , dite aussi quantique, est née vers la fin des années 1920.

L'une des nouveautés qu'elle apporte par rapport à la physique classique est le fait que le principe de conservation de l'énergie peut être violé, à condition toutefois que cela ne dure pas longtemps.

Plus précisément , la durée pendant laquelle ce principe est violé doit être d'autant plus courte que l'énergie mise en jeu est importante.

À titre d'exemple, si cette énergie vaut 10·25 joule, la durée ne peut dépasser un milliardième de seconde; et si l'énergie est de l'ordre de celle d'un photon visible, elle ne pourra dépasser 10 _, secondes.

Autrement dit, des photons visibles peuvent naître du vide et disparaître presque aussitôt.

Ainsi , selon la physique quantique , le vide est un lieu dont l'énergie fluctue et où des particules apparaissent et disparaissent sans cesse.

Le vide n'est donc pas rien, et à ce titre, il n'est pas identifiable au néant des philosophes .

On pense que ce sont les fluctuation s du vide qui sont responsables de la désexcitation d 'un atome qui se trouve dans un état excité.

Si le vide était le néant, un atome excité ne se désexciterait pas.

Puisque le vide n'est pas rien, cela implique qu'il puisse changer, de même que la matière change.

Les physiciens parlent de «changement de phase».

C'est consécutivement à un tel changement de phase du vide que le Big-Bang aurait donné naissance à notre Univers.

Ce dernier ne serait ainsi pas né de rien, mais de presque rien ! i@$11@;Uijijj.ji étudié et expérimenté.

On montre qu'entre deux petites plaques métalliques placées l'une en face de l'autre et séparées d'une très faible distance (de l'ordre du micromètre ), le nombre de photons issus des fluctuation s du vide est plus faible que dans une région non limitée par des plaques .

Autrement dit, le vide entre les plaques est davantage vide que celui à l 'extérieur, de l'autre côté des plaques.

Cela signifie que l'énergie du vide est plus faible dans une telle cavité qu'à l'extérieur.

La pression (quantique) est donc plus faible entre les plaques.

Par conséquent, les plaques doivent se rapprocher .

C'est effectivement ce que l'on observe expérimentalement.

PRODUCTION DU VIDE Il existe une grande variété de pompes permettant de produire du vide, dont il ne sera possible ici que de décrire quelque s unes .

Ce qu'il faut savoir cependant, c'est qu'aucune pompe ne permet de passer de la pression atmosphérique à un vide très poussé.

En effet, chaque pompe fonct ionne dans une certaine gamme de pressions limitée par une pression d'amorçage et une pression minimale produite .

Certaines pompes permettent d 'obtenir des vides primaire s seulement , et celles qui permettent la production de vides plus poussé s n'y parviennent qu'à partir de vides primaires ...

« Vide primaire n, signifie un vide obtenu à partir de la pression atmosphérique.

Il existe trois grandes classes de pompes .

Les pompes mécanique s ; les pompes hydrodynamiques encore appelées machines à jets ; les pompes à fixation ou condensation.

LES POM PES MtCANIQUES Les pompes mécaniques fonctionnent toutes par le jeu de mouvements de pièces : le gaz est aspiré à un endroit et refoulé à un autre.

La pompe à palettes est la pompe primaire la plus l'isolement de ce volume puis le refoulement du gaz qu'il enferme .

Avec les pompes à palette s on obtient des pressions de l'ordre de 10·> Torr , soit de l'ordre de un million de fois plus faible que la pression atmosphérique.

Signalons que chaque centimètre cube d'air autour de nous contient plus de 10~ molécules .

Avec une pompe primaire , cette densité atteint donc 10"/cm'.

La limitation des pompes à palettes à 10·> Torr provient du fait qu'elles mettent en jeu de l'huile et que celle-ci, comme tout liquide, se volatilise sous vide.

LES POMPES HYDRODYNAMIQ UES Une fois le vide primaire obtenu, on améliore le degré de vide souvent en employant une u pompe à diffusion d 'huile ».

Le principe ici consiste à porter d'abo rd une huile à ébullition .

Les vapeurs émises sont canalisées vers un éjecteur qui les projette à grande vitesse, entraînant les molécules de gaz rencontrées sur son passage.

L'huile atteint ensuite une paroi refroidie par une canalisation d'eau : elle s'y condense avant de retourner vers le chauffage.

Les pompes à diffusion permettent d'abaisser la pression d'un fadeur 1 million encore.

On atteint ainsi 107 molécules par centimètre cube.

lES P OMPES À FIXATI ON Contrairement aux pompes mécaniques et hydrodynamiques qui évacuent le gaz à l'extérieur, les pompes à fixation retiennent les gaz sur une surface grâce à la cryogénie par exemple .

Avec ces pompes , on abaisse la pression d'un fadeur 1 000 encore atteignant ainsi 10 000 molécule s par centimètre cube.

Il s'agit du vide le plus poussé que l'on puisse obtenir.

QUELQUES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DU VIDE L'une des conséquences des couramment employée .

La rotation du Les procédés industriel s mettant en fluctuations dont il a été question plus système à palette s dans une enceinte jeu le vide sont très nombr eux et variés haut est un phénomène tout à fait cylindrique déplace le gaz.

Ce dernier allant de la production de café à la D tPéiT MINCE Il est parfois nécessaire de déposer sur un objet une fine couche d'une autre substance, comme par exemple dans le cas du dépôt antireflet sur les verres de lunette .

Cela se fait souvent en évaporant la substance sous basse pression, puis en la faisant se condenser sur le substrat.

L'épaisseur de la couche déposée est facilement contrôlable.

LE VIDE COMME ISOLANT THERM IQ UE Le vide s'opposant à la transmission de la chaleur par diffusion et convection, il constitue un bon isolant thermique .

C'est la raison pour laquelle les bonnes bouteilles Thermos sont constituées de deux récipients emboîtés l'un dans l'autre , séparés par un bon vide.

INDUSTRIE ALIMENTAIRE Dans l'industrie alimentaire, on cherche à faire le vide principalement pour améliorer la conservation en éliminant l'oxygène qui a tendance à réagir chimiquement : calé , jambon , beurre , produ its troi s, cacahuètes ...

sont produits et scellés sous vide.

Mais la conservation n 'est pas l'unique raison .

Il y en a d'autre s ...

Par exemple, le remplissage d'une bouteille à l'air libre se fait relativement lentement, car le liquide doit chasser l'air hors de la bouteille pour prendre sa place.

Cela se fait beaucoup plus rapidement dans le vide.

La ly ophil is oti on est une spectaculaire que l'on appe lle l'« effet pénètre d'abord dans une chambre fabrication de tubes cathodiques des technique qui met en jeu également le Casimir », du nom du physicien qui l'a qui se dilate .

La rotation entraîne téléviseurs .

vide: on congèle, puis on abaisse la t-------""""""""--""""-....1""""------------ .0...------------~ pression, ce qui a pour effet de faire Prindpe de fondionnement des pompes à vide La pompe à pale ttes La pompe à diffus ion d 'huile 1-+~-l:;..... -- Trajet de la vapeur d'huile ,...,.

___ Paroi refroidie ~~~-'!-.-- ...

- Éjecteur Élimination de l'air ~~~-= ~ === Huile t Chauffage sublimer l'eau (passage de l'état solide à l'état gazeux).

L' AhOSPATIAL Les inst oi/ Dfions de simulotion spDiiole sont de taille très variable mais lorsqu 'il s'agit de faire des essais afin d'étudier le comportement des engins à très basse pression, on est obligé de créer des chambres où le vide est très poussé.

Le grand simulateur du CNES qui fait environ 600 m ' en est un bon exemple .

LA MtTALLU RGIE ET LE PLASTIQUE Certains métaux imposent une élaboration en atmosphère neutre .

Or le vide est l'atmosphère neutre par excellence ...

Cette métallurgie est notamment mise en œuvre pour la production de certains aciers.

Dans l'industrie des matières plastique s , notamment pour la fabricatio n des moulages , le vide permet d'éviter la présence de bulles : on obtient ainsi des surfaces parfaitem ent lisses.

L'INDU STRIE DU FROID L'évaporat ion d 'un liquide absorbe de la chaleur.

On s'en rend compte lorsque l'eau sur notre peau s'évapore : on a froid .

Si l'on place un verre d'eau sous une cloche à vide , son évaporation forcée se traduit par un important refroidiss ement.

Actuellement les très basses températures produites pour la recherc h e fondamentale sont notamme nt obtenues grâce à cette technique dite de« refroidissement par évaporati o n ».Signalons aussi que certains distributeurs de glaçons fonctionn ent sur ce principe : le vide est fait au-de ssus de l'eau ; celle-ci entre en ébullition en puisant l'énergie nécessair e en elle-même (énergie interne) .

Ce faisant , sa température chute et l'eau finit par geler, donnant des glaçons.

L E VIDE DANS LES GRA NDS INSTRUMENTS Les Tokamaks, dont le futur ITER (réacteur ther monucléaire expérimental international) est un exemple, sont des dispositif s qui exigent l'obtention de vide pous sé dans des volumes très importan ts ; 800 m ' dans le cas d'ITER .

De même , les accélérateurs de particules , comme le LEP ou le futur LHC.

mett ent en jeu également des vides très poussés : un milliardième de la pression atmosphérique.

En effet, les particules étudiées doivent voyager librement sans contact avec aucun atome étranger.

UNE APPLICATION AMUSANTE D U XI X' SIÈCLE Au début du XIX' siècle un ingénieur danois propose de mettre des lettres et des colis dans un chariot, de placer ce dernie r dans un tube puis de faire le vide à une des extrémités du tube de sorte qu'il voyage, poussé par la pression atmosphérique .

C'est la « p oste p n eum otique ».

Elle a été mise en place en 1866 à Paris.

En 1888 on dénombr e près de 200 kilomètres de tuyaux, à cela près qu'on injecte de l'air comprim é dans le tuyau (au lieu de faire le vide) et le cylindre est envoyé à destinat ion à près de 30 km/h .

Le service a été exploité jusqu'en 1984.

Le XIX' siècle a également inventé le u chemin de fer atmosphérique».

En France , une telle installation est terminée en 1847 :deux pompes mues chacune par une machine à vapeur de 200 cv avaient un débit de 4 ooo litres à la seconde ! Mais le bilan financier de l'opération est catastrophique et on abandonne vite l'exploitation de la ligne ... »