Opalescence critique

L'opalescence critique est un phénomène que l'on peut observer à l'œil nu lorsqu'on refroidit un gaz à une température très proche de sa température critique.

Opalescence critique de SF₆ autour de T_c=45,5 °C et P_c=37 bar.

Description

Lors du chauffage d'un tube fermé contenant un fluide à sa densité critique ${\displaystyle \rho _{c}}$ on observe que pour une température bien définie (température critique ${\displaystyle T_{c}}$) le ménisque séparant les deux phases s'épaissit, devient trouble et diffus, puis disparait. Le tube ne contient ensuite plus qu'un fluide homogène (fluide supercritique) qui n'est ni liquide, ni gazeux. De même, si l'on refroidit un fluide supercritique de densité ${\displaystyle \rho _{c}}$ jusqu'à ${\displaystyle T_{c}}$ on observe l'apparition d'un ménisque séparant une phase gaz d'une phase liquide au milieu d'un brouillard opalescent.

La lumière blanche qui traverse le milieu opalescent ainsi formé autour de ${\displaystyle T_{c}}$ est diffusée et prend une teinte rougeâtre, analogue à celle du soleil qui se couche dont la lumière est diffusée par diffusion Rayleigh.

L'apparition de ce milieu trouble et diffusant au voisinage de ${\displaystyle T_{c}}$ est ce que l'on appelle l'opalescence critique.

Explication

La première observation d'une opalescence critique semble avoir été effectuée par Charles Cagniard de Latour en 1822, en utilisant des mélanges d'alcool et d'eau. Dans la littérature, cette découverte est souvent attribuée à Thomas Andrews^[1]. En effet, la contribution d'Andrews est la clarification conceptuelle de ce phénomène, dans la suite de ses expériences en 1869 sur l'opalescence critique pour la transition liquide-gaz du ${\displaystyle CO_{2}}$. Il interpréta, tout à fait justement, ce phénomène comme étant la conséquence de fluctuations géantes de la densité du fluide au voisinage du point critique : la matière "hésite" entre l'état liquide et l'état gazeux et en chaque point du fluide elle change sans cesse d'état. La phase liquide et la phase gazeuse ont généralement des densités et des indices optiques différents (n = 1 pour les gaz et n = 1,33 pour l'eau liquide par exemple), aussi la lumière qui traverse ce fluide peut-elle être fortement diffusée par les fluctuations de la taille de la longueur d'onde de la lumière visible.

Albert Einstein a montré en 1910^[2] que le lien entre cette opalescence et la diffusion Rayleigh est quantitatif.

Notes et références

1. Gerard G. Emch et Chuang Liu, The Logic of Thermostatistical Physics, Springer, 2002 (ISBN 9783662048863, DOI 10.1007/978-3-662-04886-3), « 11. Phase transitions: van der Wals to Lorentz ».
2. A. Einstein, « Theorie der Opaleszenz von homogenen Flüssigkeiten und Flüssigkeitsgemischen in der Nähe des kritischen Zustandes [AdP 33, 1275 (1910)] », Annalen der Physik, vol. 14, n^o S1,‎ 23 février 2005, p. 368–391 (ISSN 0003-3804 et 1521-3889, DOI 10.1002/andp.200590026, lire en ligne, consulté le 23 juillet 2020)

Bibliographie

• Michel Laguës et Annick Lesne, Invariances d'échelle : des changements d'états à la turbulence, Paris, Belin, coll. « Echelles », 2003, 352 p. (ISBN 978-2-7011-3175-7, OCLC 70866331, BNF 39061180).
• C. Cagniard de la Tour, Ann. Chim. Phys. 21, 127 (1822); 21, 178 (1822); 22, 410 (1823)
• T. Andrews, Phil. Trans. Roy. Soc. 159, 575 (1869)
• B. Berche, M. Henkel, R. Kenna, "Critical Phenomena: 150 years since Cagniard de la Tour", J. Phys. Stud. 13, 3201 (2009); "Fenomenos criticos: 150 anos desde Cagniard de la Tour", Rev. .Bras. Ens. Fis. 31, 2602 (2009)

Articles connexes

• Point critique
• Gaz parfait

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