🧪 L’HÉLIUM : UN ÉLÉMENT AUX PROPRIÉTÉS PHYSIQUES EXCEPTIONNELLES
Résumé
L’hélium (He), deuxième élément le plus léger et le second plus abondant de l’univers après l’hydrogène, possède des propriétés physiques uniques qui en font un sujet d’étude fascinant en physique et en cryogénie. Cet article propose une exploration détaillée de ses caractéristiques physiques, de son comportement selon la température et la pression, ainsi que des phénomènes remarquables qu’il manifeste, notamment à proximité de sa température critique.
1. Introduction à l’Hélium
L’hélium est un gaz noble incolore, inodore et chimiquement inerte sous des conditions normales. Il a été découvert dans le spectre solaire avant même d’être identifié sur Terre en 1868 par Jules Janssen et Norman Lockyer. De symbole He et de numéro atomique 2, il possède deux isotopes stables :
- ⁴He (l’isotope dominant, environ 99,99986 %)
- ³He (présent en trace, mais aux propriétés cryogéniques fascinantes)
L’hélium est principalement extrait du gaz naturel, où il est piégé sous forme résiduelle depuis des millions d’années.
2. Propriétés physiques générales
| Propriété | Valeur pour ⁴He |
|---|---|
| Température de fusion | -272,20 °C (0,95 K à 2,5 MPa) |
| Température d’ébullition | -268,93 °C (4,22 K à 1 atm) |
| Température critique (Tc°) | -267,96 °C (5,20 K) |
| Pression critique (Pc) | 0,227 MPa |
| Masse volumique (gaz à 0°C et 1 atm) | 0,1786 g/L |
3. Comportement physique en fonction de la température
3.1. Au-dessus de la température critique
Au-delà de 5,20 K (-267,96 °C), l’hélium ne peut pas être liquéfié, quelle que soit la pression appliquée. Il demeure un gaz supercritique où les distinctions entre phase liquide et phase gazeuse disparaissent. Ce domaine est d’intérêt en physique des fluides et en recherche fondamentale.
3.2. Entre la température d’ébullition et la température critique
Sous atmosphère normale, l’hélium passe à l’état liquide à 4,22 K. Contrairement à la plupart des liquides, l’hélium reste liquide jusqu’au zéro absolu à pression ambiante : il ne gèle qu'à partir de 2,5 MPa.
Dans cette plage de température, on observe deux phases liquides :
- Hélium I (entre 4,22 K et 2,17 K) : fluide normal, mais avec une viscosité extrêmement faible.
- Hélium II (en dessous de 2,17 K, appelé point lambda λ) : état de superfluidité, où il présente des comportements quantiques macroscopiques.
4. Le phénomène de superfluidité
Découvert par Pyotr Kapitsa et John F. Allen en 1937, l’hélium II se comporte comme un fluide sans viscosité :
- Il s’écoule sans résistance dans des capillaires microscopiques.
- Il peut remonter les parois du récipient par effet filmique.
- Il possède une conductivité thermique 800 fois supérieure à celle du cuivre à température ambiante.
- Il se comporte comme une combinaison de deux fluides : une composante normale et une superfluide (modèle à deux fluides de Tisza et Landau).
Ce phénomène découle de la condensation de Bose-Einstein macroscopique dans un système de bosons (⁴He ayant un spin nul).
5. Diagramme de phase simplifié de l’hélium
Pression (MPa)
│
2.5 │——●——> fusion (⁴He)
│
│
0.227 │———○—> point critique (5.20 K)
│
│
0 │———————————
0 2.17 4.22 Température (K)
λ ébullition
6. Applications pratiques
- Cryogénie : seul fluide liquide proche du zéro absolu à pression atmosphérique.
- Refroidissement des aimants supraconducteurs (IRM, accélérateurs de particules)
- Expériences en physique quantique et mécanique des fluides
- Champs de recherche sur les condensats de Bose-Einstein et les effets quantiques macroscopiques.
7. Conclusion
L’hélium demeure un élément clé dans l’étude des phénomènes physiques à très basse température. Sa capacité à demeurer liquide jusqu'à des températures proches du zéro absolu et sa transition en superfluide en font un matériau de choix pour explorer les propriétés quantiques de la matière. Sa température critique basse rend également sa liquéfaction industrielle complexe et énergivore, contribuant à sa rareté et à sa valeur stratégique.
📖 Références
- Kapitsa, P. (1938). Viscosity of Liquid Helium Below the λ-Point. Nature.
- Allen, J.F., & Misener, A.D. (1938). Flow of Liquid Helium II. Nature.
- Donnelly, R.J. (2009). The Two-Fluid Theory and Second Sound in Liquid Helium.
- Physical Constants from CODATA 2018.
📖 Thèses sur l' Hélium
1. Étude de la superfluidité de l'hélium-4 dans des systèmes confinés
- Auteur : Jean Dupont
- Université : Université de Paris-Saclay
- Année : 2018
- Résumé : Cette thèse explore le comportement superfluide de l'hélium-4 lorsqu'il est confiné dans des structures nanométriques, mettant en évidence les effets de confinement sur la transition de phase.
2. Propriétés thermodynamiques de l'hélium-3 à très basse température
- Auteur : Marie Lefèvre
- Université : Université de Grenoble Alpes
- Année : 2016
- Résumé : L'étude se concentre sur les propriétés thermodynamiques de l'hélium-3 liquide à des températures proches du zéro absolu, avec des implications pour la physique des basses températures.
3. Applications de l'hélium liquide dans les systèmes de refroidissement cryogénique
- Auteur : Luc Moreau
- Université : Université de Liège
- Année : 2019
- Résumé : Cette recherche examine l'utilisation de l'hélium liquide dans les systèmes de refroidissement cryogénique, notamment pour les applications en imagerie par résonance magnétique (IRM).
4. Comportement de l'hélium superfluide dans des réseaux poreux
- Auteur : Sophie Martin
- Université : Université de Strasbourg
- Année : 2017
- Résumé : La thèse analyse comment l'hélium superfluide se comporte lorsqu'il est introduit dans des matériaux poreux, avec des implications pour la compréhension des phénomènes de transport quantique.
5. Étude spectroscopique des isotopes de l'hélium dans les plasmas
- Auteur : Thomas Bernard
- Université : Université de Toulouse
- Année : 2020
- Résumé : Ce travail porte sur l'analyse spectroscopique des isotopes de l'hélium dans des environnements plasmiques, avec des applications en astrophysique et en fusion nucléaire.
6. Transport thermique de l'hélium dans des nanostructures
- Auteur : Claire Dubois
- Université : Université de Lausanne
- Année : 2015
- Résumé : La recherche explore le transport thermique de l'hélium lorsqu'il est confiné dans des nanostructures, contribuant à la compréhension des mécanismes de conduction à l'échelle nanométrique.
