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(Evangelista) Torricelli & le vide

Physicien et mathématicien italien, 1608-1647

 

Le nom de Torricelli est resté associé dans l’histoire au premier baromètre à mercure, cette colonne de 76 cm environ dont la hauteur précise nous renseigne sur la pression atmosphérique et donc indirectement sur les caprices du temps à venir…

 

Evangelista TorricelliA Florence, dans les années 1640, les fontainiers ont une unique préoccupation : réussir à aspirer l’eau à plus de dix mètres au dessus du niveau du fleuve Arno et malgré les efforts conjugués des grands ingénieurs de l’époque, on n’y parvient pas ! En désespoir de cause, ils se tournent vers Galilée, déjà reconnu en son temps comme un grand savant, mais qui hélas meurt en 1642 sans avoir résolu le problème. Torricelli est alors le secrétaire de Galilée, à qui il succèdera comme professeur de philosophie et de mathématiques. Il décide de reprendre à son compte les interrogations du maître Galilée et de nombreux autres savants de l’époque : qu’est ce qui empêche l’eau de monter au-delà d’une certaine hauteur ? Comprendre, c’est expérimenter ! Mais on ne manipule pas aisément des colonnes d’eau de 10m. Torricelli a alors l’idée de remplacer l’eau par un liquide beaucoup plus lourd, en l’occurrence le « vif-argent » (le mercure).

 

Son expérience

Il remplit complètement un tube de mercure, le bouche avec le doigt pour empêcher l’air de rentrer et le renverse sur un bassin, lui aussi rempli de mercure. Il constate alors que le tube ne se vide pas complètement dans le bassin mais qu’une colonne de mercure - de 76 cm - reste dans le tube. Sur la surface de base du tube s’exercent deux forces qui se compensent exactement : le poids de la colonne qui tendrait à faire descendre le mercure dans le bassin et la force exercée par l’air qui appuie sur le liquide et qui empêche la colonne de mercure de se vider. Cette force qu’exerce l’air par unité de surface, c’est la pression atmosphérique.

Si le mercure est remplacé par de l’eau, la force exercée par l’air sur la base du tube équivaut au poids d’une colonne de 10m. D’où la limite physique - et non technologique - à laquelle se heurtaient les fontainiers !

C’est une trentaine d’années plus tard en 1676 que l’Académie des Sciences rendra hommage à Torricelli en baptisant son invention du nom de baromètre de Torricelli. Entre temps, Pascal se sera aussi intéressé à la notion de pression atmosphérique, notamment en faisant des mesures avec le baromètre à différentes altitudes. Tous deux ont donné leur nom à une unité de pression : le torr (correspondant à une élévation de 1mm de la colonne de mercure) et le Pascal (la pression atmosphérique est proche de 100.000 Pa).

 

En plus d’avoir mis en évidence la pression atmosphérique, Torricelli a également réalisé le premier vide artificiel de l’histoire.

En effet, quand le mercure du tube descend dans le bassin, qu’y a-t-il au dessus de la colonne ? Du vide… Pour mieux comprendre ce qu’est le vide, il faut essayer d’analyser ce qu’est la pression. Comme la température, c’est une façon de mesurer en moyenne à notre échelle ce qui se passe au niveau microscopique dans la matière. Dans un gaz, comme l’air, les molécules (en l’occurrence N2 et O2) sont isolées. Elles n’établissent pas d’interactions entre elles à la différence de ce qui se passe dans un liquide et a fortiori un solide. Elles se déplacent à grande vitesse (330 m/s dans l’air à 25°C). Mais par contre, elles entrent en collision extrêmement fréquemment : 10 milliards de fois par seconde à température ambiante. Si l’on considère la surface qui délimite le gaz et le liquide (par exemple, la colonne d’eau ou de mercure), la pression est la force exercée par les molécules qui se cognent sur chaque unité de surface. Conservez le même nombre de molécules dans le même volume et abaissez la température : les molécules iront moins vite, se heurteront moins : la pression baissera. Diminuez le nombre de molécules dans un même volume, la pression baissera aussi puisqu’elles auront moins souvent l’occasion de se rencontrer. On parle de « vide » quand la pression est inférieure à la pression atmosphérique, mais cela recouvre un grand domaine depuis les dépressions responsables du mauvais temps jusqu’au vide entre les étoiles !

Si vous vous promenez dans un laboratoire de physique ou si vous visitez des grandes installations comme les accélérateurs de particules, vous verrez des grosses enceintes en métal gris entourées de pompes, pour « faire le vide » justement, c’est à dire aspirer toutes les molécules (diazote, dioxygène, vapeur d’eau) et descendre à des pressions de 1 million à mille milliards de fois plus faibles que la pression atmosphérique. Dans quel but ? Justement éviter les collisions des particules - qui sont accélérées à des vitesses proches de celle de la lumière - avec les molécules de gaz résiduelles. A cette vitesse et à cette énergie, chaque collision avec une molécule résiduelle est « fatale » à la particule ! Or ce sont les collisions entre particules qui intéressent les chercheurs, pas celles des particules avec les molécules résiduelles !

 

D’autres physiciens étudient les surfaces à l’échelle moléculaire.

En effet, à la surface d’un objet, de nombreux échanges et en particulier les réactions chimiques peuvent avoir lieu. Si l’on veut une surface très propre, il faut éviter que des molécules - qui ne sont pas celles qui sont l’objet de l’étude - ne viennent la polluer en s’y accrochant et donc travailler sous « ultra-vide ». De même si on ne veut plus seulement observer la surface mais la façonner en y déposant quelques couches d’atomes ou de molécules. Pour d’autres études, diminuer la pression, c’est un moyen de réduire la température ! Pour d’autres encore, c’est reproduire des conditions réelles, par exemple le milieu interstellaire où la pression est si faible qu’une molécule n’en rencontre une autre qu’une fois par siècle. Des conditions très différentes de celles dans lesquelles se fait notre chimie terrestre !

 

Dépôt sous ultra-vide de couches métalliques de quelques atomes d’épaisseur. © CNRS/THALES - RAGUET Hubert

Dépôt sous ultra-vide de couches métalliques de quelques atomes d’épaisseur.

Mots clés : pression, pression atmosphérique, baromètre, vide, ultra-vide, physique des surfaces

   
 

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