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L'azote liquide

On obtient l'azote liquide par distillation fractionnée de l'air car, à la pression atmosphérique, l'azote ne bout qu'à 195 °C sous zéro (soit 77,2 K) tandis que l'oxygène bout déjà, à cette pression, à partir de -183 °C (soit 90 K).

Pour conserver ce liquide susceptible de s'évaporer en se réchauffant, on utilise un vase Dewar

Principe de fabrication d un Dewar

Principe de fabrication d'un Dewar.

On vide l'air situé entre les deux parois de verre et on ferme en soudant le verre à l'aide de la flamme.

 

Sir james Dewar (Kincardine-on-Forth 1842 - Londres 1923), chimiste et physicien écossais, étudia l'absortion des gaz par le charbon de bois aux basses températures, ainsi que la phosphorescence de nombreux composés et il liquéfia un certain nombre de gaz réputés permanents comme l'hydrogène et le fluor. Son nom reste cependant essentiellement attaché à la fabrication de vases isolants.

Devar inventa en effet le cryostat, mieux connu sous le nom de "bouteille thermos"; le récipient est constituté d'une double paroi de verre (ou de métal) dont l'intérierur est vidé d'air.

Pour obtenir une meilleure isolation thermique, la double paroi est métallisée pour constituer un miroir réfléchissant et l'utilisation d'un "super-isolant" sous vide entre les parois permet d'améliorer l'isolation.

Quand on verse l'azote liquide dans le Dewar à température ambiante, une ébullition brutale se produit puis s'apaise progressivement et la condensation de la vapeur d'eau de l'air ambiant provoque la formation de givre, c'est-à-dire de petits cristaux de glace, qui couvre les parois extérieures du Deward.

Le récipient ne peut être hermétiquement clos, pour éviter une augmentation dangereuse de la pression intérieure.

Des expériences aux très basses températures qui suscitent la curiosité

Expérience 1 : extinction de flammes

Au-dessus de l'azote liquide, il se forme un brouillard assez épais dans lequel un bout de bois en ignition s'éteint car le gaz qui s'échappe est évidemment de l'azote.

Expérience 2 : caléfaction

Sur une plaque très chaude de cuisinière électrique, chacun a pu observer que des goutelettes d'eau tombées d'un récipient résistent vaillament car celle-ci s'entourent, dès le début de leur évaporation, d'une couche gazeuse qui empèche le contact direct du liquide avec la surface chaude.

Cet effet, appelé caléfaction, est encore plus marqué si l'on jette de l'azote liquide sur une table ou même sur la main (bien tendue et les doigts dirigés vers le bas, pour éviter les accidents!). L'azote gazeux produit par l'évaporation empêche tout mouillage de la surface et les goutelettes d'azote très fines et très mobiles sont pratiquement insaisissables.

Expérience 3 : variation de couleurs

Refroidis au contact de l'azote liquide, des substances minérales changent spectaculairement de couleur si leur structures se transforment :
- le soufre jaune devient blanc,
- l'iodure mercurique rouge devient jaune,
- le sulfure de mercure rouge devient jaune orangé,
- la plombagine ne permet plus d'écrire...

Expérience 4 : changement de propriété de métaux

Après avoir été plongés dans l'azote liquide :

- des lames de zinc ou d'acier deviennent cassantes,
- un fil à plomb peut servir de ressort souple,
- une clochette de plomb acquiert des qualités sonores surprenantes,
- un diapason voit sa fréquence propre modifiée,
- le mercure se solidifie (puisque sa température de solidification n'est que de -40 °C) et peut servir a fabriquer un marteau si on a enfermé, au préalable, un manche dans le liquide à la température ambiante.
- le fil de cuivre voit sa résistance électrique fortement diminuer.

Expérience 5 : un bec Bunsen qui produit de la glace !

Une boule métallique plongée dans l'azote liquide est ensuite approchée de la flamme d'un bec Bunsen (dont la temprérature est proche de 1700 °C). La boule se couvre d'une mince couche de glace qui ne fondra qu'au bout de quelques dizaines de secondes. En effet, la combustion du propane produit du dioxide de carbone et de l'eau, laquelle gèle immédiatement au contact du métal refroidi.

Expérience 6 : changement de propriétés physiques de substances organiques

Après avoir été refroidis dans l'azote liquide :

- le caoutchouc devient dur et très cassant,
- les pétales de fleur, tels ceux d'une rose, ou les feuilles peuvent être pulvérisés,
- des fruits, tels que des raisins ou des cerises, se transforment en billes rebondissantes,
- le liège, la viande, le feutre, deviennent très friables,
- l'alcool absolu devient dur comme la pierre alors qu'il est très difficile à congeler par des moyens classiques.

Expérience 7 : une fontaine mue à l'azote liquide

Une fontaine mue à l azote liquide

On plonge dans l'eau qui occupe le fond d'un ballon, un tube de verre creux auquel est attaché une petite éprouvette contenant de l'azote liquide.

L'ébullition de ce liquide provoque, à l'intérieur du ballon fermé par un bouchon, une surpression, laquelle est responsable du jet d'eau qui gicle par l'ouverture supérieure du tube creux.

Principales applications de l'azote liquide

1. Effets spéciaux dans les spectacles

Qui n'a jamais été intrigué par les brouillards artificiels fabriqués sur les scènes ?
Un réservoir d'azote liquide sous pression utilisé en coulisse pour provoquer le refroidissement brutal de la vapeur d'eau contenue dans l'air est souvent préféré à la carboglace par le régisseur.

2. Emmanchement et démanchement de pièces métalliques

On procède par contraction de la pièce intérieure par refroidissement à l'azote liquide.

3. Thermorégulation

Thermorégulation dans les fabrications pharmaceutiques (stockage d'aspirine).

4. Broyage

Broyage des plastiques, pigments pour peintures et nombreux corps organiques. L'azote liquide permet d'obtenir des grains particulièrement fins.

5. Inertage

En sidérurgie, on évite notament l'oxydation des jets de coulée grâce à l'azote liquide qu'on vaporise autour du jet (procédé Spal).

6. Congélation des sols meubles

Cette technique a notament été utilisée à Bruxelles, en 1980, pour la construction du métro.
L'humidité des sols détermine l'espacement des sondes dans lesquelles on verse l'azote liquide.

7. Médecine

Conservation du sang, des globules rouges, des plaquettes, de moëlle épinière, de sperme, de peau, d'yeux, de dents et d'embryons.

8. Médecine vétérinaire

a) Depuis 1948 on pratique l'insémination artificielle des bovins en Belgique. A cette époque, on ne pouvait garder le sperme du taureau que quelques jours dans le mélange carboglace-alcool car, dans ces conditions, les spermatozoïdes se détruisent assez vite.

A partir de 1964, les centres d'insémination artificielle utilisent la technique de cryogénation dans l'azote liquide.
On recueille la semence, on l'analyse et on l'injecte dans des paillettes en matière plastique; le nom du taureau est imprimé sur chaque paillette. Des séries de 175 paillettes sont placées dans des cylindres plongés dans un container d'azote liquide. Les paillettes restent d'abord pendant une dizaine de minutes à une température comprise entre -80 °C et -100 °C. A cette dernière température, toute forme de métabolisme est arrêtée et les semences ainsi congelées peuvent être conservées aussi longtemps que l'on veut.

Les paillettes peuvent être échangées entre les différents centre belges et étrangers. Chaque centre approvisionne les vétérinaires agréés.

Un des avantages essentiels de cette méthode consiste à pouvoir utiliser au mieux pendant un temps illimité, les meilleurs taureaux reproducteurs de n'importe quel pays.

b) Depuis 1972, les essais de conservation d'embryons de mammifères (bovins, ovins, rats, souris, lapins) se sont développés.

La constitution de banques d'embryons a déjà permis de grands progrès en biologie, en génétique, en médecine et en zootechnie.

9. Industries agro-alimentaires

Les industries agro-alimentaires sont également de grandes utilisatrices de l'azote liquide, notamment en ce qui concerne la conservation des fruits et légumes, des plats cuisinés, des produits laitiers, des huiles et corps gras, des pains et pâtisseries, des viandes et poissons.

a) Industries des fruits et légumes

- Déverdissage des agrumes
- Désoxygénation des jus de fruits
- Maturation : des pommes, des poires, des tomates
- Conservation et transport sous atmosphère controlée de produits frais
- Conditionnement de graines oléagineuses et d'épices sous gaz neutre
- Surgélation : fraises, framboises, myrtilles, cerises, melons, etc. / petits pois, haricots verts, choux-fleurs, etc.
- Surgélation en particules de jus de fruits
- Cryobroyage d'épices : muscades, poivre, coriandre
- Stétilisation d'épices
- Transport de produits frais et surgelés
- Dépannage et mise en froid rapide de chambre froide

b) Industries des plats cuisinés

- Refroidissement rapide ou surgélation de repas en cuisine de collectivités
- Surgélation : de plats cuisinés (ratatouille, couscous ...) / de produits élaborés (crèpes, beignets, pizzas, etc.)
- Refroidissement rapide de produit liquides : sauces et soupes
- Surgélation en particules de produits liquides ou pâteux : fonds de sauces / potages
- Transport de produits frais ou surgelés
- Conditionnement de sandwiches et de plats froids sous gaz neutre
- Soutirage en cafeteria de vin en fût sous gaz neutre

c) Industries laitières

- Conditionnement sous gaz inertes : lait en poudre / fromages rapés ou en tranches
- Désoxygénation du lait entier, du beurre liquide, etc.
- Brassage de tous les liquides et transfert sous pression
- Neutralisation des eaux de lavage
- Refroidissement avec les fluides cryogéniques de lait, en vrac ou conditionné, de fromage rapé ou en poudre
- Surgélation cryogénique de produits laitiers : yaourts / crèmes glacées
- Transport de poduits frais ou surgelés
- Broyage cryogénique de fromage de pâtes cuites
- Stérilisation des emballages

d) Industries des huiles et corps gras

- Stockage sous atmosphère neutre des huiles
- Désoxygénation /Désodorisation
- Transfert sous pression / Soutirage
- Hydrogénation
- Embouteillage
- Cristalisation en paillettes
- Transport à température dirigée

e) Industries de boulangerie - pâtisserie

- Conditionnement sous gaz neutre des pains et viennoiseries
- Cryobroyage de sucre cristal
- Surgélation de pâtes avant deuxième fermentation
- Surgélation de : croissants, viennoiseries, pain de mie, pâtisseries diverses
- Durcissement avant tranchage du pain "fantaisie"
- Refroidissement des enrobages et fourages
- Transports à température dirigée

f) Industries des produits carnés

- Anesthésie de porcs
- Conditionnement sous gaz de viandes piécées et d'abats
- Conditionnemnent sous gaz neutre de charcuterie
- Salaison sous atmosphère
- Régulation de température en broyage-malaxage, cutterage pour : viandes hachées, viandes surfines, produits de charcuterie
- Surgélation cryogénique de : viandes piècées, viandes hachées, volailles
- Durcissement avant tranchage et pressage de muscles et d'abats
- Trasnport de produit frais ou surgelés
- Ajustement et maintien de température de produits conditionnés

g) Industries de la pêche

- Oxygénation des eaux
- Surgélation : de poissons entiers (filets, sticks), produits panés, crustacés (crevettes, langouste), coquillages (moules, praires)
- Transports de produits frais ou surgelés
- Conditionnement de poisson piécé et fumé sous gaz neutre

10. La supraconductivité à la température de l'azote liquide

Heike Kamerlingh Onnes, après avoir découvert le moyen de liquéfier l'hélium (1908), s'apercut (en 1911) que la résistance électrique du mercure tombait brutalement à zéro lorsque la température devenait inférieure à 4,2k. En dessous de ce qu'il est à présent convenu d'appeler une température critique de 4,2K, le mercure passe donc de l'état métallique normal à ce que l'on qualifie d'état supraconducteur.

Une nouvelle étape majeure dans l'histoire de la supraconductivité se produisit en 1933 lorsque W. Meisner et R. Ochsenfeld observèrent que les supraconducteurs massifs constituent des composés diamagnétiques idéaux.
Ceci signifie qu'un champ magnétique faible ne pénètre un matériau dans son état supraconducteur que faiblement en surface et est expulsé de la masse. Cette caractéristique a pour résultat l'apparition du phénomène de lévitation magnétique : un aimant placé sur un matériau dans son état supraconducteur va en fait flotter au-dessus de la surface de celui-ci, menant à des applications variées.

En 1986, les travaux de Bednorz et Müller provoquèrent une véritable révolution dans les milieux scientifiques du monde entier puisque cette année verra la possibilité d'obtenir des températures critiques largement supérieures à la température de l'azote liquide.

Il est impossible de citer ici tous les nouveaux matériaux supraconducteur "à haute température" qui sont apparus depuis et tous les dévéloppements qu'ils promettent. Signalons, par exemple, qu'en février 1988, Chu et ses collaborateurs ont annoncé un composé possédant une température critique avoisinant 110 K. Début mars 88, des chercheurs d'IBM à San Jose et parrallèlement de l'Université de Pékin ainsi que de l'Université d'Arkansas ont présenté des composés pour lesquels des températures critiques de 125 K sont obtenues.

Applications

Les oxydes supraconducteurs promettent de rendre beaucoup plus larges les domaines d'application de la supraconductivité, par le biais du remplacement d'un réfrigérant de coût élevé, l'hélium liquide, par un réfrigérant de coût environ cinquante fois plus modeste, l'azote liquide.

Si, comme certaines observations le laissent à penser, des supraconducteurs à température ambiante sont prochainement découverts, c'est notre vie de tous les jours qui sera profondément modifiée. Pour que cela se produise cependant, il est indispensable que les nouveaux matériaux supraconducteurs puissent être ouvragés de manière adéquate, une tâche à laquelle s'attellent des très nombreux laboratoires de recherches tant universitaire qu'industriels.

1. La capacité d'un supraconducteur à conduire le courant électrique sans que ne se produise la moindre perte énergétique sous forme de chaleur peut être exploitée pour la transmisssion du courant électrique à large échelle. Ceci requiert cependant que les matériaux supraconducteurs puissent présenter des densités de courant élevées. Si tel est le cas, peut-être verrons-nous prochainement une diminution de coût de l'électricité.

2. En électronique, la miniaturisation et l'accroissement de la vitesse des puces d'ordinateur est encore limitée par la génération de chaleur et les phénomènes de résistance électrique dans les films métalliques interconnectés. L'utilisation de supraconducteurs aboutirait à une miniaturisation beaucoup plus forte et à des vitesses de transmission de l'information largement supérieures.

3. Des supraconducteurs sont utilisés comme aimants produisant de forts champs magnétiques. Les aimants supraconducteurs sont utilisés par exemple dans les tokamaks géants où l'on réalise les phénomènes de fusion nuclèaire.

4. Dans le domaine de l'imagerie médicale, en résonnance magnétique nucléaire, l'utilisation d'aimants supraconducteurs permet la réalisation d'un champ magnétique statique très uniforme en volume et stable temporellement. L'utilisation des oxydes supraconducteurs permettrait aux hôpitaux de réduire fortement le coût annuel d'exploitation d'un scanner.

5. Le spectaculaire phénomène de lévitation magnétique promet également une exploitation importante.
Si des supraconducteurs à température ambiante voient le jour, on a prédit aux Etats-Unis que le plus important marché à court terme serait la réalisation de jouets basés sur ce principe ! Plus sérieusement, on a proposé déja un nouveau mode de propulsion, en particulier de trains circulant sur des voies métalliques normales. La lévitation magnétique permet au train d'être propulsé en flottant au-dessus de la voie. Des prototypes ont déja été réalisés au Japon depuis trois ans et on atteint des vittesse de l'ordre de 400 km/h. Une fois que le véhicule est lancé, une très faible énergie est suffisante pour maintenir sa vitesse.

Bibliographie : La maison de la science à Liège
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