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un verre rempli de glace carbonique, également très froid
Parmi les substances très froides, l’azote liquide est une référence : il présente une température de −196 °C, ce qui est suffisant pour réaliser toute sorte d’expériences, et même de la cuisine (crème glacée instantanée, par exemple).

Mais alors d’où provient ce froid ? Comment reste-t-il à cette température si basse sans se réchauffer ?

Une question de chaleur latente

La réponse à ces deux questions réside dans la chaleur latente de changement d’état.

Quand on chauffe un corps quelconque, par exemple de l’eau, la chaleur apportée va en élever la température. Chauffer de l’eau à 20 °C va ainsi la faire monter à 60 °C. Si l’on chauffe encore, la température monte de nouveau, jusqu’à 100 °C. Lorsque l’eau atteint 100 °C, elle bout.

C’est à ce moment qu’il faut comprendre ce qui se passe : si l’on continue de chauffer de l’eau bouillante, la température n’augmentera pas : l’eau restera à 100 °C. À la place, l’eau liquide va passer à l’état de gaz.
On peut chauffer autant que l’on veut : tant qu’il restera de l’eau liquide, la température de l’ensemble restera à 100 °C. Toute la chaleur apportée à notre eau sera consommée exclusivement pour changer l’état de l’eau, provoquant la vaporisation.

La chaleur que l’on apporte à notre eau, mais qui ne modifie pas la température (seulement l’état, liquide ou gazeux), est appelé « chaleur latente ».

Et pour l’azote liquide ?

Pour l’azote liquide, on a la même chose, sauf que ça ne se passe pas à +100 °C comme pour l’eau, mais à −196 °C.

Par conséquent, lorsque l’on a créé de l’azote liquide très très froid (grâce à un frigo très très puissant, pour simplifier), il va se réchauffer au contacte de l’air ambiant. Sauf que l’azote « normal » est gazeux et non liquide : il va donc bouillir. Pour cela, il doit capter de la chaleur dans l’air. Et cette chaleur captée, elle va tout d’abord transformer l’azote liquide en azote gazeux avant de la réchauffer. En d’autre mots, l’azote restera froid tant qu’il sera liquide.

La chaleur apportée par l’air ambiant provoque le changement d’état du liquide mais ne le réchauffe pas : c’est de la chaleur latente. L’azote dans son état liquide ne peut exister au dessus de −196 °C. Si l’on atteint cette températures suite à un apport de chaleur, cette chaleur provoque uniquement le changement d’état.

C’est pour cela que ça reste froid. Et votre azote liquide reste froid d’autant plus longtemps que vous limiterez les transferts thermiques de l’air ambiant vers l’azote, par exemple dans une bouteille thermos.

Quelques remarques

Premièrement, les températures de changement d’état sont données pour quand on est à pression atmosphérique normale. Si l’on abaisse la pression, le changement d’état varie. L’eau peut ainsi bouillir à 60 °C, ou même 20 °C sous des pressions très basses.

Deuxièmement, les fumerolles que l’on voit quand l’azote liquide bout n’est pas de l’azote gazeux : l’azote est invisible. En réalité, l’azote liquide est si froid qu’il gèle l’humidité de l’air et forme des micro-cristaux de glace. Ce que vous voyez ce sont donc des micro-cristaux de glace en suspension dans l’air : autrement dit, un sorte de nuage.

Enfin, l’azote liquide n’est pas le seul produit utilisé pour produire du froid. De façon plus courante on trouve ainsi la glace carbonique : c’est du dioxyde de carbone à l’état solide. Ce dernier reste à −79 °C tant qu’il n’a pas totalement été transformé en gaz. Ici, la glace carbonique ne fond pas mais se sublime : elle passe directement de l’état solide à l’état gazeux, sans passer par une phase liquide.

Et si on veut avoir un froid plus intense que celui de l’azote liquide, on peut utiliser de l’hélium liquide, qui lui bout à −269 °C, soit 4 °C au dessus du zéro absolu ! Ce dernier étant cher à produire, il n’est utilisé que dans les domaines de recherche qui ont vraiment besoin de ces températures. On préférera utiliser, là où c’est possible, l’azote liquide, qui est bien moins rare et moins cher.

image d’en-tête de Niclas

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Le Hollandais Volant wrote:

@Arfy : oui, c’est pas beaucoup plus froid que l’azote liquide.
Veritasium a une vidéo où ils en font, en faisant bouillir de l’azote liquide pour le refroidir : https://www.youtube.com/watch?v=rM04U5BO3Ug

Un sujet encore plus intéressant c’est celui de l’hélium solide, qui n’existe pas sous pression normale (il faut absolument avoir de fortes pressions pour l’avoir).

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man-x86 wrote:

C'est amusant, je m'étais posé une question similaire avec des "accumulateurs de froid" de glacière. Pourquoi contiennent-ils de un mélange d'eau et d'éthylène-glycol et non pas de l'eau pure?

En testant avec une bouteille d'eau salée et une bouteille d'eau propre à -18°C, l'eau salée met effectivement plus longtemps à atteindre la température ambiante.

En théorie, il se trouve que la capacité thermique de l'eau liquide est plus élevée que celle de l'eau solide. On a donc tout intérêt à avoir de l'eau liquide le plus longtemps possible, mais sans mettre trop d'additif pour ne pas dégrader sa capacité thermique.

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Le Hollandais Volant wrote:

@man-x86 : Il y a également le fait que la glace prend plus de place que de l’eau : geler / dégeler l’objet peut provoquer des contraintes mécaniques dessus et l’user. Je ne sais pas par contre sur le mélange eau-éthylène-glycol a ça également.

Mais sinon, c’est aussi pour que le produit soit liquide le plus longtemps possible : non seulement ça contient plus de chaleur (ou ici, il peut en absorber plus) mais il peut également le conduire beaucoup mieux. Si l’accumulateur de froid est liquide, les zones plus ou moins froides se mélangent mieux et dans l’ensemble le refroidissement est plus régulier.

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Lokoyote wrote:

Ça me rappelle en IRMN où le cœur du contient de l'hélium liquide, et pour éviter de le perdre par microfuites, on l'entoure d'une enveloppe contenant de l'azote liquide (qu'il faut renouveler chaque semaine à cause de fuite, mais bien moins cher que l'hélium !).

Très sympa ce petit article en tous cas ! Ça coule de source quand on y réfléchit en fait :)

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seb wrote:

Comment est ce qu'on peut brûler une verrue avec un truc aussi froid?

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Le Hollandais Volant wrote:

@seb : une brûlure peut être par le feu, l'acide (brûlure chimique) ou par le froid.

Il s'agit de tuer les cellules de la verrue en les congélant d'un coup. C'est tout ^^

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seb wrote:

@Le Hollandais Volant : Ah oui, c'est juste le mot brulure qui me fait penser à la chaleur alors que ça ne l'ai pas forcément. On parlerait de congélation je pense que ça serait pareil, on va penser à la nourriture congelée qu'on peut décongeler donc ça ne donne pas envie pour une verrue, elle pourrait revenir après décongélation. ^^
Merci pour la précision.

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Le Hollandais Volant wrote:

@seb : oui c’est vrai. On peut aussi parler de cryogénisation. Peut-être peut-on inventer un nouveau mot, comme « cryolyse » : « cryo- » (froid) et « lyse » (destruction)…

Sinon, la différence avec la congélation/décongélation, c’est que si on parle d’aliments, ils sont déjà « morts » avant et ne peuvent pas revenir à la vie après. Dans le cas d’une verrue, ça doit être la même chose : il n’y a pas de risques que ça revienne si elle est tuée.

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lythari wrote:

Bonjour,
Tu parles peu de pression dans cet (excellent) article, il existe de l'eau (salée) liquide à des températures > à 100°C sous plusieurs atmosphères de pression (au fond de l'océan à proximité de cheminée géothermiques par exemple)

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Le Hollandais Volant wrote:

Note : J’ai reformulé certains passages suite à un commentaire que je ne publierait pas.

Ce commentaire disait (entre autre remarques) « L’explication est fausse. ».
Le commentaire ne disait bien évidemment pas pourquoi, ni en quoi, ni n’apportait quoi que ce soit de constructif et c’est pour ça que je ne la publie pas (et que je n’ai jamais publié, et ne publierait jamais) de tel commentaires inutiles.

Néanmoins, je peux évidemment me tromper.
Ça m’arrive.
Autant qu’à vous et autant que tout le monde.
Je m’en excuse et c’est involontaire.

Si vous constatez une erreur, bravo à vous ! Vous avez alors deux choix :
– soit garder cette découverte pour vous (et je ne serais jamais au courant de mon erreur et mon article continuera de partager un truc faux) ;
– soit poster un message pour me dire que vous avez trouvé ce qui vous semble être une erreur, où elle se situe, en quoi c’est une erreur, et quelle est la correction. Je recommande cette solution : mon site est certes un site de vulgarisation (je ne peux donc pas aller dans tous les détails), mais je ne souhaite pas partager des trucs faux pour autant.

Si vous m’envoyez un message ou commentaire, je peux comparer votre analyse à mon article. Je me retrouve à mon tour devant deux cas :
– soit votre analyse tient la route, et vous avez réussis à démontrer que mon article dit quelque chose de faux (auquel cas je corrige sans hésiter mon article dès que j’en ai la possibilité (généralement dans la journée)) ;
– soit j’estime que votre analyse/explication est aussi bancale sinon plus que la mienne et on en discute. La discussion sert à éclaircir les choses : je désire savoir pourquoi mon explication vous paraît faux (à juste titre, ou à injuste titre), et inversement je me défendrais en expliquant pourquoi je pense que votre explication n’est pas recevable.

Dans tous les cas, sachez également que :
– si mon article affiche une erreur, la correction que vous proposez peut également être fausse. Ce n’est pas parce que j’ai faux que vous ayez automatiquement juste. Exemple : si je dis que le ciel et rouge, et que vous dites « il n’est pas rouge, il est vert ! », vous avez certes trouvé une erreur dans mon article, mais votre correction n’est pas pour autant juste.
– si mon article dit quelque chose, et que vous dites autre chose, il n’est pas forcé que l’un de nous soit dans le faux. Certaines explications, certains concepts, peuvent avoir plusieurs solutions. Exemple : si je dis « la racine carrée de 9 est 3 » et que vous dites « regardez : la racine carrée de 9 est −3 », alors on a tous les deux raison avec des réponses différentes. Nos réponses sont justes, oui, mais incomplètes. Une réponse complète serait « les deux racines de 9 sont 3 et −3 ».
– si je partage une information fausse, assurez-vous qu’elle le soit vraiment, et que ce n’est pas simplement que vous n’avez pas compris. Mon explication peut être confuse mais juste. Dans ce cas, je vous encourage à me dire qu’elle est confuse : mon but est aussi de vous faire comprendre des choses clairement.
– je suis prêt à recevoir toute remarque sur tout article, du moment qu’elle est constructive.
– ce blog est un blog scientifique : inutile, donc, d’essayer de me convaincre que la Terre est plate ou que vous avez inventé une machine à énergie libre. Les questions sur ces thèmes sont bienvenues (et vous aurez des réponses scientifiques), mais ces deux choses en particuliers sont fausses et non scientifiques, donc en discuter pour en discuter n’a pas lieu d’être sur ce blog.

Voilà.

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refroidisseur wrote:

Bonjour,
si on contrait de l'azote liquide à une certaine pression peut-on le forcer à rester liquide et donc à -196°c? comme un glaçon permanent d'une certaine manière...
risque d'explosion si le glaçon est exposé à une température trop forte?
merci par avance pour votre réponse.

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Le Hollandais Volant wrote:

@refroidisseur : on peut le maintenir liquide dans une bouteille de gaz, oui.

Par contre les transferts thermiques se poursuivent : l'air ambiante chauffe la bouteille et donc le gaz. L'azote sera liquide, à 20 degrés Celsius.

C'est possible !
Mais dans ce cas, la pression dans la bouteille avoisinera ~200 bars.
Au fur et à mesure que la bouteille se réchauffe, les molécules s'agitent de plus en plus, et la pression s'accumule.

Les bouteilles de gaz (butane, propane...) ou les bouteilles de gaz industriels vendus par Air Liquide (ammoniac, argon, CO2, O2, Azote...) sont prévues pour ça.

Quand on ouvre la vanne, du gaz sort, la pression diminue. Un peu de liquide redevient gaz : c'est ça qui est endothermique et qui refroidit la bouteille.
Si on laisse ouvert, le refroidissement sera constant jusqu'à -196 degrés Celsius (pour l'azote).

Je n'ai pas de photo, mais au travail on a une grande bouteille d'ammoniac de chez Air Liquide. Quand une bonne quantité de gaz en est sorti, l'ébullition du liquide à l'intérieur de la bouteille refroidit tellement la bouteille que de la glace se forme à l'extérieur de la bouteille !


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