Cryogénie

Qu’est-ce que la cryogénie et la cryologie?

La cryogénie et la cryologie font partie du domaine de la physique qui étudie les températures très basses et leurs effets. Le préfixe « cryo » vient du mot grec « kruos », qui signifie froid extrême. Les suffixes « génie » et « logie » proviennent de mots équivalant à « production » et « étude » (méthodique). Quand on les assemble, on obtient les mots « cryogénie » et « cryologie », c’est-à-dire production de températures très basses et étude de leurs effets.

Dans l’espace, les objets peuvent devenir très chauds, puis très froids. Cela constitue un facteur important pour la conception et le choix des matériaux utilisés dans les vaisseaux spatiaux.

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 Comment les substances suivantes réagissent-elles aux températures très basses?

 Métaux :

Comme plusieurs sortes de métaux entrent dans la fabrication des vaisseaux spatiaux, il est important de savoir comment ces métaux réagissent au froid extrême.

Les métaux se contractent au froid. En d’autres termes, ils prennent moins d’espace. Certains métaux se contractent plus que d’autres à une température donnée, comme le montre une bande constituée de deux types de métaux différents (tels que le cuivre et le zinc) collés ensemble. Quand la bande bimétallique est exposée à une température inférieure à celle de la pièce, elle plie. Cela est dû au fait qu’un des métaux se contracte plus que l’autre à cette température particulière. La bande plie dans la direction du métal qui se contracte le plus, c’est-à-dire du cuivre dans le cas de la bande bimétallique formée de cuivre et de zinc.

Cela montre que les interactions entre certains métaux peuvent les rendre inadéquats pour la construction d’un vaisseau spatial. Par exemple, une porte de cuivre insérée dans un cadre de zinc pourrait mettre la vie des astronautes en danger parce que les températures extrêmes de l’espace extra-atmosphérique affecteraient l’étanchéité de la porte.

Caoutchouc :

Les voitures que nous utilisons dans la vie courante comportent souvent des tuyaux, des joints d’étanchéité, des joints de culasse et des pneus en caoutchouc. À la température de la pièce, le caoutchouc est très souple. Par contre, quand il est soumis à un froid extrême, il perd son élasticité. Il devient dur et rigide. Il ne plie plus quand on applique une pression sur lui; au contraire, il peut casser. Dans l’espace, il est donc nécessaire d’utiliser d’autres matériaux que le caoutchouc.

Gaz :

L’air que nous respirons est aussi affecté curieusement par l’exposition à des températures très basses. L’air se condense à mesure qu’il refroidit, ce qui signifie qu’il passe de l’état gazeux à l’état liquide. Cela se voit clairement si on place un ballon gonflé dans un environnement très froid. L’air contenu à l’intérieur du ballon se liquéfie. Comme il ne reste plus de gaz dans le ballon pour exercer de la pression sur les parois, celui-ci se dégonfle et il ne reste plus qu’un ballon ratatiné, renfermant une petite quantité de liquide. Ce liquide s’appelle de l’air liquide.

Quand le ballon et son contenu reviennent en contact avec des températures plus chaudes (température de la pièce), l’air contenu dans le ballon prend de l’expansion, et le liquide redevient un gaz. L’air à l’état gazeux peut de nouveau exercer une pression sur les parois du ballon, qui reprend sa taille et sa forme initiales.

Une substance qui se présente sous la forme d’un gaz à la température de la pièce a un point d’ébullition relativement bas; elle possède assez d’énergie pour se vaporiser à des températures inférieures à 20 degrés Celsius environ. L’azote forme 78 p. 100 de l’air que nous respirons; il gèle à - 210 degrés Celsius et bout à - 196 degrés Celsius. À la température de la pièce, l’azote se présente donc sous la forme d’un gaz. Un récipient d’azote liquide placé à l’intérieur d’un bâtiment bouillira; si on mesure sa température, le thermomètre indiquera - 196 degrés Celsius. Le fait de plonger un objet dans l’azote liquide le refroidit très rapidement.

Il existe de nos jours de nombreuses applications des gaz liquéfiés. L’oxygène liquide sert à la fabrication de l’acier et à la propulsion des fusées. L’hydrogène liquide est utilisé comme carburant pour les vaisseaux spatiaux. On liquéfie le gaz naturel pour faciliter son transport. L’éthylène liquide est utilisé dans l’industrie des matières plastiques, tandis que l’argon liquide est employé en électronique.

Tissus vivants:

L’effet du froid extrême sur le corps humain est clairement visible si on observe les plantes. Un morceau de salade ou un pétale de fleur exposé à des températures très basses deviennent friables. Dans cet état, un tissu vivant peut facilement être broyé ou brisé.

Le tissu vivant se compose principalement de minuscules cellules renfermant beaucoup d’eau. Si on plonge une matière végétale dans un environnement très froid tel que l’azote liquide, l’eau contenue dans les cellules gèle rapidement. Puis elle se solidifie et prend de l’expansion. On peut facilement deviner les conséquences : un récipient fermé rempli d’eau et laissé dans le congélateur éclate parce que l’eau prend de l’expansion.

Un fait semblable se produit à l’échelle microscopique dans les tissus vivants. Lorsque des cellules vivantes gèlent très rapidement, l’eau qu’elles contiennent se solidifie et prend de l’expansion. Cette expansion et la formation de cristaux de glace tranchants causent la rupture de la paroi des cellules.

Pour éviter ce genre de problème, les cosmonautes portent des vêtements composés de sept couches différentes pour pouvoir résister aux températures basses et élevées qu’ils peuvent rencontrer dans l’espace.

La congélation de tissus vivants a-t-elle des utilisations pratiques?

Si on ajoute une substance antigel comme le glycérol aux cellules avant de les congeler, on peut abaisser la température à laquelle l’eau contenue dans ces cellules gèle et ainsi contrôler la vitesse de congélation. Cela aide à empêcher la formation de cristaux de glace à l’extérieur de la cellule et permet de conserver les cellules pendant longtemps. Si les cellules dégèlent convenablement, elles retrouvent leurs fonctions. Les difficultés augmentent considérablement si on essaie de refroidir une grande quantité de cellules. Il devient alors plus difficile de régler la vitesse de refroidissement, et il peut arriver que les additifs antigel n’atteignent pas suffisamment les cellules situées à l’intérieur de la masse cellulaire. De plus, les cellules peuvent souffrir du manque d’oxygène. En conséquence, la conservation à long terme des personnes, de leurs membres et de leurs organes n’est pas encore réalisable.

La congélation peut néanmoins servir à conserver de petites masses de cellules. L’une des premières applications dans les années 50 a été la congélation de sperme de bovin en vue de l’insémination artificielle. Ce procédé permet de conserver le sperme pendant des années et de faire profiter toutes les parties du monde d’animaux reproducteurs de grande qualité.

Les scientifiques congèlent les microorganismes utilisés pour la production du fromage. On peut aussi congeler le pollen de diverses plantes pour faire des expériences de croisement sur des plantes qu’habituellement on ne trouve pas ensemble. La congélation de cultures biologiques permet d’assurer une réserve continue en vue des expériences.

La conservation de cellules de sang entier ou de sang fractionné est l’une des applications les plus précieuses. Le sang réfrigéré de la manière habituelle se conserve seulement 21 jours, après quoi il faut l’utiliser. On garde le plasma et on jette les globules rouges et blancs. Toutefois, l’entreposage du sang dans de l’azote liquide permet de constituer d’importants stocks nécessaires pour faire face aux catastrophes ou pour approvisionner les groupes sanguins peu courants. Une personne peut constituer une réserve de son propre sang. La plupart des appareils conservent le sang à l’aide d’azote liquide, qui est une matière pratique, abondante, inerte sur le plan biologique et relativement peu coûteuse.

L’azote liquide sert aussi à conserver la nourriture par le biais de la réfrigération ou de la surgélation. Cette dernière méthode consiste à immerger la nourriture directement dans l’azote liquide ou à l’asperger d’azote liquide. Ce procédé a l’avantage d’être peu coûteux, rapide et de réduire la perte d’eau.

Les effets du froid intense sur les tissus peuvent être employés en cryochirurgie, qui est l’application locale d’un froid intense pour détruire des tissus de façon sélective à l’aide d’un instrument ayant la taille d’une aiguille à tricoter. Cette technique est utilisée pour soulager les tremblements et la rigidité dus à la maladie de Parkinson. Les médecins emploient aussi l’azote liquide pour éliminer les verrues et les feux sauvages.

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Qu’est-ce que l’électricité?

1. C’est une forme d’énergie, comme on peut le constater du fait qu’elle fait fonctionner des machines et qu’elle peut être transformée en d’autres types d’énergie comme la lumière et la chaleur.
2. Elle est invisible. Durant un orage électrique, on ne voit pas l’électricité. Ce que l’on aperçoit est l’ionisation de l’air traversé par l’électricité.
3. L’électricité est produite lorsque des particules reçoivent une charge. Certaines particules reçoivent une charge négative (électrons), tandis que d’autres reçoivent une charge positive (protons). Ces charges opposées s’attirent; les particules qui ont une charge identique se repoussent.

Le noyau de l’atome contient des protons (charge positive) et, normalement, des neutrons (aucune charge) autour desquels tournent les électrons (charge négative). Un électron a une masse deux mille fois inférieure à celle d’un proton, mais sa charge électrique est égale à celle du proton. Les électrons de plusieurs éléments, en particulier les métaux, se laissent facilement arracher de l’atome et se déplacent librement à l’intérieur de la structure atomique. S’il existe un état de charge déséquilibré, ce sont les électrons qui constituent un courant électrique. Lorsqu’une pile ou autre source d’énergie électrique est connectée à un fil, elle libère des électrons dans le fil. Ceux-ci entrent en contact avec les électrons libres qui se trouvent dans le fil et qui sont repoussés parce que leur charge est identique. Ils poursuivent leur contact avec d’autres électrons libres le long du fil, provoquant une onde de pression instantanée. Les électrons qui sortent à l’autre bout du fil peuvent alors allumer une lampe ou faire fonctionner un moteur.

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Qu’est-ce que l’électricité statique?

L’électricité statique est de l’électricité au repos. Elle est produite par le frottement. Toute matière contient des particules positivement chargées appelées protons et des particules négativement chargées appelées électrons. Dans un atome sans charge, les protons et les électrons s’équilibrent les uns les autres et l’atome est neutre. Si cet atome neutre perd un électron, parce qu’il a un surplus de protons, on dit qu’il a une charge positive. Si un atome neutre acquiert un électron, on dit qu’il a une charge négative.

Le frottement peut arracher des électrons de certains atomes. Certaines substances, à cause de la nature de leurs atomes, ont tendance à perdre des électrons et à recevoir une charge positive; d’autres substances acquièrent des électrons facilement et reçoivent une charge négative.

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Pourquoi vos cheveux dressent-ils au contact du générateur Van de Graaff?

Le générateur Van de Graaff du Musée retire des électrons du grand globe, qui reçoit ainsi une forte charge positive. Si vous vous tenez sur une plaque isolée et que vous touchez ce globe, toutes les parties de votre corps reçoivent une charge positive, y compris votre chevelure. Puisque des charges identiques se repoussent, chaque cheveu essaie de s’éloigner des autres cheveux. La meilleure façon est de se dresser bien droit. Le résultat - des cheveux rebelles!

Le générateur Van de Graaff (en anglais)

Historique du générateur Van de Graaff (en anglais)

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Les surprises de la science

Si vous avez des questions au sujet des programmes scolaires, veuillez les adresser à Sandra Corbeil des services éducatifs.