température (suite)

• L’étude des propriétés des corps solides ou liquides aux basses températures conduit à des résultats d’ordre général concernant : la décroissance rapide des chaleurs spécifiques, qui paraissent tendre vers zéro avec T, constatation qui vient à l’appui du postulat de Nernst-Planck ; les propriétés magnétiques, en particulier paramagnétisme et antiferromagnétisme ; la décroissance avec T de la résistivité des métaux.

• Un phénomène qui, dans l’état actuel de nos connaissances, ne concerne qu’un certain nombre de conducteurs, métaux, alliages ou composés, se manifeste à basse température. C’est la supraconductivité*, découverte par Kammerlingh Onnes (1911) : disparition de la résistance électrique et, par suite, de l’effet Joule, au-dessous d’une certaine température, généralement très basse et variable d’un conducteur à l’autre. L’étude de ce phénomène, dont l’explication, comme tout ce qui intéresse les très basses températures, est du domaine de la physique quantique, se poursuit, ainsi que celle des applications à l’électrotechnique et à l’électronique.

• Le comportement de l’hélium, gaz d’abord considéré uniquement comme le plus difficilement liquéfiable, revêt des caractères exceptionnels aux très basses températures. Ce sont : l’absence de point triple et la forme de la courbe de fusion ; le phénomène dit « du lambda » (λ), dû à une transition du second ordre entre deux variétés liquides, HeI et HeII ; le caractère « gazeux » de HeII liquide, dont la viscosité extrêmement faible entraîne la suprafluidité responsable d’effets extrêmement curieux, telle l’évasion spontanée du liquide hors du vase qui le contient.

Les hautes températures

Il s’agit d’un domaine de températures dont la limite inférieure est mal définie, de l’ordre de 1 000 °C, et qui ne possède pas, en principe, de limite supérieure.

Production

De tout temps, les sources principales de températures élevées ont été les réactions chimiques fortement exothermiques ; parmi elles, les réactions de combustion du carbone et de ses composés dans l’air ou dans l’oxygène ont été les plus utilisées dans les foyers, les fours* et les flammes*. Les gaz produits par la combustion, oxydes du carbone, vapeur d’eau..., sont portés à l’incandescence par la chaleur de la réaction et constituent ainsi une flamme* dont la température réelle, inférieure à la température maximale théorique par suite des phénomènes endothermiques de dissociation, ne dépasse guère 3 000 °C dans les cas les plus favorables, tels que le chalumeau oxyacétylénique. Dans les fours à combustion, dont les parois réfractaires sont chauffées par contact avec les flammes, la température atteinte est moins élevée, de l’ordre de 2 000 à 2 500 °C. Le chalumeau à hydrogène atomique offre cependant un exemple d’une flamme dont la température, voisine de 4 000 °C, est due à la réaction exothermique de recombinaison des atomes H aussitôt après leur formation (endothermique) dans l’arc électrique par dissociation de l’hydrogène ordinaire H₂. Quant au chalumeau à fluor et hydrogène, difficile à manier et dont la flamme résulte de la réaction F₂ + H₂ → 2 HF (ΔH = – 128 kcal), il permettrait d’atteindre 4 000 °C environ.

Diverses propriétés du courant électrique — effet Joule, arc électrique, induction, bombardement par électrons, etc. — permettent de réaliser des fours électriques ; les fours à arc, à induction haute fréquence, à bombardement électronique sont les plus efficaces du point de vue de l’obtention de températures élevées, de l’ordre de 3 000 à 4 000 °C.

Les fours à concentration de rayonnement, et parmi eux les fours solaires, permettent aussi d’obtenir des températures de l’ordre de 4 000 °C.

Tous ces procédés sont perfectibles ; mais, pour obtenir des températures nettement plus élevées, on doit faire appel à d’autres phénomènes.

Une solution récente est apportée par les plasmas* gazeux : ce « quatrième état de la matière » est essentiellement constitué d’un mélange globalement neutre d’ions positifs et d’électrons, formés par ionisation des molécules d’un gaz, l’argon par exemple. La formation d’un plasma nécessite que l’on fournisse au gaz, pour l’ioniser, beaucoup d’énergie, au moyen d’un arc électrique à haute intensité, ou encore d’une induction à haute fréquence ; à l’inverse, la recombinaison des ions et des électrons du plasma, ainsi qu’éventuellement celle des atomes du gaz, permet d’atteindre, dans les chalumeaux à plasma, des températures très élevées allant, suivant les dispositifs, de 8 000 à 50 000 K environ.

Des températures bien plus élevées encore, cette fois d’un ordre de grandeur légèrement inférieur à celles qui règnent à l’intérieur des étoiles, sont actuellement obtenues, mais localement et de façon très fugitive, dans quelques laboratoires où se poursuivent les recherches effectuées afin de maîtriser un jour les réactions de fusion nucléaire des atomes légers. Ces températures, qui atteignent parfois plusieurs dizaines de millions de degrés, sont obtenues dans des plasmas soumis au confinement magnétique et parcourus par une impulsion de courant très élevée, ou créés au sein de la matière, deutérium solide par exemple, par impulsion laser de grande puissance.

Mesure des températures élevées

Elle s’effectue, pour les fours et les flammes, à l’aide de pyromètres optiques et, pour celles qui sont atteintes dans les plasmas, par l’étude de rayonnements émis, diffusés ou absorbés par ces plasmas. Il est à remarquer que ces très hautes températures, au lieu d’être exprimées dans l’échelle Kelvin, le sont souvent dans une échelle énergétique, dont la correspondance avec l’échelle Kelvin est établie en remarquant que, pour une mole de gaz, le produit R · T représente l’énergie cinétique moyenne de translation des molécules à la température T ; ce qui fait, exprimé en électrons-volts et pour une seule particule, l’énergie moyenne :

une énergie moyenne de 1 eV correspond donc à une température de 1,15 · 10⁴ K ; une température de 10⁶ K correspond à 87 eV.