14 octobre 2009
De l’utilité du grand froid…
Non, je ne vais pas vous parler des régions polaires, quoiqu’il y aurait beaucoup de choses à dire mais du froid industriel, celui qui est produit par l’homme et qui a de nombreuses applications dans de nombreux domaines (médical, biologique, alimentaire, industriel, agricole et même environnemental)
Petite histoire de température
Qu’est-ce que la température ? Qu’est-ce que la notion de chaud et de froid ? Prendre la température par simple toucher est il objectif ? Pourquoi ?
En réalité, il est assez difficile de définir la notion de température sans faire appel à la théorie moléculaire que nous donnerons un peu plus tard.
En effet, cette propriété est assez liée à la sensation de froid ou de chaud mais pour être vraiment précis, cela se complique. Lorsqu’on touche deux objets à même température mais de matériaux différents, selon qu’il est dense ou aéré, notre corps ne perçoit pas la même sensation : un matériau dense (tel que le métal par exemple) nous paraîtra toujours plus froid qu’un tissu (rempli d’air). La raison en est que le contact avec un matériau dense, produira un transfert de chaleur plus intense (car plus de contacts) entre notre main et l’objet plus froid.
Alors pour mesurer ou chiffrer la température, on doit faire appel à un phénomène physique qui accompagne une variation de température (soit la dilatation d’un liquide, la variation d’une résistance, l’émission d’un rayonnement).
Plusieurs échelles de températures existent, et celle qui nous est la plus familière est l’échelle Celsius qui repose sur deux repères à la pression atmosphérique normale : celui de la glace fondante qui repère le 0°C et celui de l’eau bouillante qui repère le 100°C.
Cependant, même si nous percevons bien cette échelle, celle-ci n’a aucune réalité physique ! Ce qui est un peu embêtant tout de même !
Alors finalement, la réalité physique de la température c’est quoi ? Il faut pour comprendre passer à la description moléculaire de la matière : la température traduit l’énergie d’agitation des molécules d’un corps. Plus il est chaud, plus les molécules qui le constituent seront agitées.
Que se passe-t-il lorsqu’on diminue la température ? les molécules sont de moins en moins agitées, jusqu’à devenir complètement immobiles (ainsi que les atomes qui les constituent et les électrons présents dans les atomes), point où on atteint le zéro absolu. Une autre échelle de température prend ici tout son sens, c’est l’échelle Kelvin qui est la mesure du degré d’agitation des molécules. Le zéro Kelvin correspond au zéro absolu. Le lien avec l’échelle Celsius est un décalage de 273.15 degrés : 0K = -273,15 °C
Histoire de la cryogénie
Peut-on atteindre le zéro absolu ? et quels en seraient les applications ?
Vers les années 1860, est apparue une nouvelle science : la cryogénie. « Cryo » vient du grec Kruos (« froid extrême »). La cryogénie est l’étude et la production du grand froid avec des températures de -150 à -270 °C ce qui signifie qu’on atteint pratiquement le zéro absolu. Avec des techniques très sophistiquées, on peut même descendre au 10-10 K. Cette descente vers les températures les plus basses a été rendue possible par les progrès de la science et de la technologie. De façon naturelle,la température la plus basse est celle du rayonnement cosmique dans lequel baigne l’univers (2.7 K)
Des températures jusqu’à -150°C sont rendues possibles par les techniques frigorifiques classiques : on fait circuler un fluide particulier, le fréon par exemple dans un circuit fermé, il subit un certain nombre de transformations dont une évaporation. Pour s’évaporer, c’est-à-dire briser des liaisons, il prend de la chaleur quelque part, il refroidit donc un autre corps au niveau de l’évaporateur placé dans la machine frigorifique.
Pour atteindre des températures cryogéniques, l’utilisation d’un fluide frigorigène tel que le fréon subissant un changement de phase n’est pas suffisante. On travaille généralement avec l’hélium liquide qui permet d’atteindre des températures de quelques K ou l’azote liquide ou encore l’hydrogène liquide (pour travailler entre 14 et 20 K).
Pourquoi est-ce important ? Parce qu’à ces températures extrêmement basses, et on le comprend aisément avec la définition du mouvement moléculaire, les propriétés des corps changent…de nouvelles propriétés étonnantes apparaissent, avec des applications extraordinaires.
La cryogénie alimentaire
L’une des grandes applications de la cryogénie est la conservation alimentaire. La différence essentielle avec la congélation classique est la vitesse de refroidissement, extrêmement rapide par traitement cryogénique. La principale conséquence est qu’au lieu de former de gros cristaux dendritiques de glace qui endommagent les cellules de l’aliment, il se forme une multitude de tous petits cristaux qui n’endommagent pas les cellules du produit. On parle de surgélation.
Les supraconducteurs
A très très basse température, certains matériaux présentent la propriété de supraconductivité : c’est l’absence totale de résistance électrique et également la propriété de repousser un champ magnétique.
Pourquoi ces matériaux à basse température n’offrent ils pas de dissipation d’énergie au passage d’un courant électrique ? Parce que les liaisons moléculaires sont tellement ralenties que le passage des électrons n’est pas ralenti (pas de frottement). L’autre conséquence intéressante est qu’il n’y aura de dissipation d’énergie par effet Joule au passage du courant, donc pas d’échauffement… d’où un réduction importante de la taille des fils électriques s’il étaient dans un matériau supraconducteur.
On appelle température critique, la température sous laquelle apparaît la propriété de supraconductivité. Le problème est que cette température critique de dans la gamme des températures cryogéniques ! d’où des applications plus que limitées dans la vie quotidienne.
Cette supraconductivité permet de créer des électro-aimants puissants qui sous l’effet d’un courant électrique élevé ne subissent pas d’échauffement (application pour l’imagerie médicale et les accélérateurs de particules).
L'autre conséquence de la supraconductivité est qu'au voisinage d'un champ magnétique, il se crée des courants induits (qui ne sont anihilés par aucune résistance) ce qui provoque un champ magnétique opposé à celui de l'extérieur...il y a donc répulsion.
Lévitation magnétique grâce à la supraconductivité du matériau : Source
Superfluidité
Une autre propriété un peu similaire de la supraconductivité est la superfluidité qui concerne un fluide qui ne présente aucune viscosité : sans chocs entre molécules, pas de gêne entre molécules, l’écoulement est parfait.
Autres applications
En abaissant suffisamment la température, on parvient à fragiliser certaines liaisons et donc à faciliter leur broyage. Ceci est particulièrement intéressant dans le domaine industriel (économie d’ énergie pour le broyage) mais aussi alimentaire. Un broyage cryogénique (à -100°C) pour les céréales permet par exemple de réduire les partcueles à une taille inférieure à 50µm en une seule étape.
Pour en savoir plus
http://fr.wikipedia.org/wiki/Cryog%C3%A9nie
http://fr.wikipedia.org/wiki/Supraconductivit%C3%A9
http://science-for-everyone.over-blog.com/article-2301364.html
http://www.universalis.fr/encyclopedie/R171171/SUPERFLUIDITE.htm
10 février 2008
Un an de science
Bonjour à tous
Comme tous les ans en janvier, le magazine "La Recherche" fait un petit bilan de quelques faits marquants et avancées de la recherche scientifique de l'année précédente.
Je vous en dévoile quelques unes...la suite est à découvrir dans le Numéro 415 de Janvier 2008.
Du vin Grec en 4000 av JC
Des résidus de pressage de raison datés d'au moins 4000 av JC ont été découverts en Grèce. Ils témoignent d'une production de vin dès cette époque. Les pépins retrouvés en Grèce semblent ceux d'une vigne sauvage, qui contrairement à une idée répandue, peut donner du bon vin.
Embryons hybrides
La Grande-Bretagne accorde un feu vert de principe à la création d'embyons hybrides homme-animal par fusion d'une cellule humaine adulte avec un ovocyte de vache énucléé. C'est le premier pays au monde à autoriser officiellement ce genre de recherche.
Ces embryons devront être détruits au plus tard le 14e jour après leur création et ne peuvent en aucun cas être introduits dans un utérus. L'objectif de ces recherches ? Etudier et prélever les cellules souches embryonnaires, ces cellules immortelles capables de fabriquer toutes sortes de tissus...
Evidemment cela pose des problèmes d'éthique MAIS les scientifiques vont pouvoir débuter la recherche qui va permettre des traitements dans les maladies comme le cancer, Diabète, Sida, maladie de Parkinson et accidents cérébrovasculaires.
PErsonnellement, je dis OUI à une SCIENCE bien utilisée, faite avec conscience, uniquement pour sauver des vies !
Santé
Les principales causes du cancer en France résident dans notre mode de vie (tabac et alcool en tête, hormones, alimentation, exposition professionnelle) plus que dans l'environnement. Conclusions du rapport par le centre international de recherche sur le cancer. La pollution de l'air, eau ou alimentation seraient à l'origine de 0,5 à 0,85 % des cancers seulement. Mais près des deux tiers n'ont aucune cause identifiée.
Merci de votre attention...
Pour en savoir plus :
http://www.vulgaris-medical.com/dossiers/le-cancer-4/les-causes-du-cancer-24.html
12 octobre 2007
Les fibres textiles et le repassage !
Bonjour
Après quelques articles consacrés à l'eau et à la lessive, nous allons parler aujourd'hui de la sensibilité de certains textiles au froissement.
Il convient tout d'abord de distinguer les fibres naturelles (le coton), et les fibres syntéthiques constitués de polymères (longues molécules) synthétisés à partir du pétrole comme le polyester, polyamide, acrylique par exemple : voir un ancien article ici.
Lors du lavage, l'eau s'insère au niveau des liaisons entre polymères et les écartent les uns des autres. Au moment du séchage, l'eau s'évapore et les liaisons se recréent de façon anarchique : c'est là qu'apparaissent les plis et que le fer est requis (dommage !).
Les fibres synthétiques sont généralement infroissables car elles sont généralement hydrophobes (repoussent l'eau).
Le comportement des fibres naturelles est à étudier au cas par cas : interviennent le type de liaison et le type de traitement subi lors de la fabrication du tissu. Ainsi le coton est composé de cellulose, chaînes linéaires qui se déforment lors du lavage et se replacent tout à fait aléatoirement pendant le séchage.
Au contraire, la laine se froisse peu car les polymères qui la constituent sont non linéaires et torsagés : ils se comportent comme des ressorts qui se déforment et reprennent ensuite leur place facilement.
On n'arrête plus le progrès !
Les recherches visent à améliorer le comportement des cotons...en jouant sur la solidité des liaisons entre polymères (renforcement à l'aide de résines) ou en cherchant à limiter l'absorption de l'eau.
D'autres types de recherches et de découvertes permettent de jouer sur l'assemblge des polymères : c'est la forme de la molécule et les différents éléments qui la composent qui donnent ses propriétés au matériau. Ont ainsi été créés :
- des chaussettes anti-odeurs :le tissu de ces chaussettes se compose de fibres aseptiques qui empêchent la prolifération bactérienne et neutralisent les odeurs !!
- des vêtements résistants au feu (le Kevlar)
- des vêtements qui sèchent en un clin d'oeil :des fibres qui drainent la transpiration vers l'extérieur
- des vêtements thermo-régulateurs...
- des textiles utilisés dans le milieu médical (ligaments artificiels ...)
- des textiles du futur à base de crabe ou d'algue (le crabion (du crabe) aurait des vertus cicatrisantes et l’algue brune susceptible de diffuser de la vitamine E, du magnésium et du calcium) pourquoi pas ??
Essentiellement utilisés pour leurs performances techniques et leurs propriétés fonctionnelles (durabilité, résistance aux agressions chimiques, perméabilité ou imperméabilité, qualités thermiques.etc...) les nouveaux textiles représenteront 80% des textiles à l’horizon 2020
Près de quatre cents sociétés françaises sont spécialisées dans ce domaine de la recherche du textile innovant. Voici un domaine dans lequel la recherche doit être passionnante !
Tissu médical
En savoir plus :
La Recherche - Avril 2006 (N° 396) p 79
http://www.rfi.fr/sciencefr/articles/090/article_53054.asp
http://www.arts-et-metiers.net/musee.php?P=225&id=222&cycle=&lang=fra&flash=f
http://www.ensad.fr/journal/journal19/materiaux.htm
27 septembre 2007
Des fabricants de nuages
Bonjour à tous,
J'inaugure aujourd'hui ma rubrique "Industrie et Techniques" pour vous parler d'une technique de réfrigération de l'eau et mettre un peu de lumière au sujet des réfrigérants atmosphériques : cet article m'a été suggéré à la suite d'un reportage télévisé puis d'articles sur Internet qui induisent en erreur le lecteur ou spectateur non averti.
Qu'est ce qu'un réfrigérant atmosphérique ou aéroréfrigérant ?
C'est une construction en béton en forme d'hyperboloïde qu'on peut souvent admirer, découvrir aux abords des centrales thermiques ou nucléaires.
Qu'est ce donc qu'un hyperboloïde ? En maths, c'est une surface de révolution décrite par la rotation d'une hyperbole autour de son axe...cela ne vous avance peut-être pas !
Dans votre cuisine, surtout dans les années 70, c'était ceci
Vous avez donc sûrement en tête cette construction bizarre, non ?
A quoi sert-il ?
Tout d'abord, il ne s'agit pas (comme on pourrait le penser à la lecture de certains papiers) d'une cheminée d'usine crachant moultes polluants atmosphériques...
mais d'un gigantesque échangeur de chaleur (100 m de haut) qui permet de refroidir une eau trop chaude. Ce type d'installation est souvent utilisé par les centrales thermiques sauf en bordure de mer ou de rivière (ces points d'eau remplacent alors le réfrigérant).
Une conduite permet d'acheminer l'eau chaude à l'intérieur du réfrigérant tandis que l'air s'engouffre par le bas et passe sous la coque. L'eau passe alors dans des dispositifs de distribution qui permettent d'éclater le débit en de nombreuses gouttelettes avant de passer sur le corps d"échange (air montant/eau descendant) et de retomber dans la piscine ou bassin d'eau.
La forme particulière de cet échangeur permet de créer un tirage où l'air réchauffé au contact de l'eau chaude, monte (car plus léger que l'air froid) à l'intérieur de la coque du réfrigérant. En montant, il permet de créer une depréssion favorable à l' évaporation d'une partie de l'eau à refroidir...
Le fait d'évaporer une partie de l'eau, la refroidit (tout comme lorsqu'on souffle sur nos mains mouillées...ca fait froid !). La convection de l'air permet également de refroidir.
La vapeur d'eau formée (qui va saturer l'air qui l'emporte) s'échappe ainsi hors du réfrigérant et lorsque le temps est humide ou lorsque l'air extérieur est saturé (voir l'article précédent sur les nuages), la vapeur se recondense en un panache qui n'est autre qu'un nuage...
Alors, lorsque vous verrez un réfrigérant avec un beau nuage au-dessus, n'incriminez pas l'industriel et n'ayez pas peur de la pollution, il ne s'agit que d'eau...
A bientôt.
Complément du 8/01/08 suite à la question relative aux débits mis en jeu
Ppour avoir un ordre de grandeur voici quelques chiffres :
Pour une centrale de puissance 250 MW
un réfrigérant de taille 100m en hauteur, 70 m diamètre de base
Lorsque l'unité fonctionne à pleine charge : le débit d'eau de circulation (à refroidir donc) est de 30 000 m3/h, l'évaporation est de l'ordre de 350 m3/h.
Il faut donc compenser par un appoint.