FROID, physique

La physique du froid

La définition la plus simple qu'on puisse donner du froid est l'absence de chaleur. Cette définition n'a de sens que si l'on sait mesurer la chaleur, en ajouter ou en retrancher à un objet. La thermodynamique statistique, dont les bases ont été posées par Ludwig Boltzmann dans les années 1870, montre que la chaleur contenue dans un objet n'est rien d'autre que l'énergie d'agitation désordonnée des molécules de cet objet : plus il est chaud, plus ses molécules s'agitent ; moins elle bougent, plus il est froid. L'immobilité absolue correspond alors au zéro de l'échelle de température. La façon la plus simple de refroidir un corps est de le mettre en contact avec un corps plus froid : il communique alors à ce dernier l'agitation de ses molécules jusqu'à ce que toutes aient la même énergie moyenne, donc la même température. Le corps le plus froid s'est réchauffé, mais le plus chaud s'est refroidi : il y a eu échange d'énergie thermique.

Toute opération qui a pour résultat de diminuer l'agitation moyenne des molécules aboutit à un refroidissement, mais peut aussi se manifester par un changement qualitatif de la répartition spatiale des molécules, appelé changement de phase. Moins les molécules s'agitent et se heurtent, plus les forces d'attraction qu'elles exercent entre elles peuvent se manifester. Lorsqu'on refroidit un gaz, il arrive un moment où ces forces sont suffisantes pour maintenir les molécules, bien qu'encore agitées, très proches les unes des autres : le gaz devient un liquide et cette transition, qui, à une pression donnée, s'accomplit pour chaque gaz à une température bien définie, s'appelle la liquéfaction. Au cours de cette transition, le gaz dégage de la chaleur. L'opération inverse est l'ébullition ; elle s'accompagne d'une absorption de chaleur, entraînant un refroidissement de l'environnement.

Le même processus se produit dans les liquides qui, suffisamment refroidis, deviennent des solides, en général cristallisés. Cette congélation s'accompagne également d'un dégagement de chaleur. La transformation inverse est la fusion qui s'effectue avec absorption de chaleur. Du gaz, totalement désordonné, au solide cristallisé, où les molécules sont parfaitement rangées, la matière traverse, en se refroidissant, une série d'états de plus en plus ordonnés. Le changement de phase permettant de repasser directement du solide au gaz s'appelle la sublimation.

Pour une molécule ou pour un atome, la position relative dans l'espace n'est pas le seul paramètre susceptible de présenter un désordre (ou un ordre). Il existe d'autres changements de phase en fonction de la température : l'aimantation disparaît quand on chauffe un aimant au-dessus d'une certaine température, de nombreux solides changent une ou plusieurs fois de structure cristalline avec la température.

Une molécule en mouvement est caractérisée par sa position, mais aussi par sa vitesse, qui a une grandeur et une orientation. Cette vitesse est un autre paramètre susceptible de s'ordonner au cours d'une transition de phase, lorsqu'on refroidit un ensemble de molécules ou de particules. Deux effets spectaculaires sont associés à de telles transitions, la supraconductivité et la superfluidité,qui n'existent jusqu'à présent qu'à des températures bien inférieures aux températures ambiantes.