FROID, physique

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Quelques applications du froid

Le passage des performances de laboratoire à des dispositifs industriels fiables et d'emploi aisé a réclamé des efforts importants de développement. Peu spectaculaire, le froid est aujourd'hui omniprésent dans notre vie quotidienne, de la fabrication des poudres à laver à la production de plantes aromatiques broyées.

L'utilisation la plus répandue de la production de froid est la conservation des aliments, d'une part au niveau domestique, avec les réfrigérateurs et congélateurs individuels, d'autre part à un niveau commercial, avec les congélateurs des magasins d'alimentation et les chaînes du froid de l'industrie agroalimentaire. Les deux niveaux de froid concernés sont la réfrigération (température proche de 0 0C), qui permet une conservation des denrées simplement refroidies pour des durées n'excédant pas quelques jours, et la congélation (température de l'ordre de — 20 0C), qui permet de transformer en glace toute l'eau contenue dans les aliments, stoppant ainsi pratiquement tout métabolisme et toute transformation chimique, et figeant donc les aliments dans l'état dans lequel ils se trouvaient au moment de la congélation, ce qui leur assure une conservation de plusieurs mois, sous réserve d'un bon conditionnement. Avec la fabrication de la glace, le froid alimentaire constitue historiquement une des premières applications d'une machine frigorifique, puisque c'est en 1876 que le navire Frigorifique, équipé par Charles Tellier, assure un transport transatlantique de viande réfrigérée. Quelle que soit l'échelle, ce froid alimentaire est obtenu avec des dispositifs, soit à absorption, soit à compression, toujours à un seul étage. Compte tenu du faible coût de l'azote liquide, il est parfois commode d'utiliser ce gaz directement comme source de froid, par immersion directe des denrées, ou comme refroidisseur des tunnels dans lesquels on les fait circuler. On se dispense alors de l'investissement que représentent l'achat et la maintenance de groupes frigorifiques.

Le Frigorifique

Photographie : Le Frigorifique

Peinture représentant le Frigorifique, vieux voilier transformé en bateau à vapeur et aménagé par Charles Tellier (1828-1913) pour pouvoir conserver, lors d'un voyage transatlantique, trente tonnes de viande. Avec cette traversée (Rouen, 20 septembre-Buenos Aires, 25 décembre 1876),... 

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Une autre application importante du froid « faible » est la climatisation des locaux. Compte tenu des températures à atteindre, qui ne doivent pas être trop basses, l'eau est le fluide frigorigène le mieux adapté. Signalons aussi qu'une des plus anciennes applications industrielles du froid fut la création de patinoires artificielles.

La cryobiologie est l'application des techniques frigorifiques à la conservation des structures biologiques, en particulier des tissus vivants, dans le but d'assurer leur conservation non destructive : on a constaté que des cellules vivantes refroidies et congelées dans les conditions requises ne connaissaient aucune altération et pouvaient, par un réchauffement approprié, se retrouver dans leur état initial de cellules vivantes après des durées illimitées de conservation. Les températures de conservation nécessaires sont au maximum de — 80 0C, et il est souvent plus commode et moins coûteux d'utiliser directement la température de l'azote liquide (— 196 0C). Bien que ces techniques ne s'appliquent qu'à des cellules isolées ou à des organes de petite taille, elles sont cependant fondamentales pour la conservation des tissus destinés aux greffes d'organes, ainsi que pour la conservation du sperme et des embryons. Les basses températures sont également utilisées lors de certaines opérations chirurgicales et en dermatologie (ablation des verrues).

La préparation de substances par lyophilisation consiste à évaporer directement sous vide une solution congelée et maintenue à très basse température ; l'eau sous forme de glace s'évapore, il reste une poudre très divisée. Cette méthode est très employée, que ce soit dans l'industrie alimentaire (café soluble) ou dans l'industrie pharmaceutique.

Les utilisations des gaz constitutifs de l'air, isolés et purifiés par une distillation fractionnée, ne cessent de croître. Les applications industrielles du froid, liées pour la plupart à la liquéfaction des gaz, ne se sont développées que progressivement. Dans un premier temps, on s'est intéressé uniquement à la préparation de gaz purs, surtout l'oxygène, utilisé pour la soudure oxy-acétylénique et dans la métallurgie de l'acier, et qu'on transportait alors sous forme de gaz comprimé. De nos jours, l'azote gaz sert en tant que gaz inerte en chimie et en électronique, et l'argon, gaz rare également présent dans l'air, est utilisé pour réaliser des soudures sans oxydation.

On s'est ensuite rendu compte qu'il était beaucoup plus simple et économique de transporter les gaz jusqu'à leur lieu d'utilisation sous forme liquide. Le « gaz naturel » est en général un mélange d'hydrocarbures comprenant principalement du méthane. Pour le transporter depuis les pays producteurs, on a recours à des navires méthaniers, qui contiennent le méthane sous forme liquide à la pression atmosphérique, à une température de — 160 0C. La liquéfaction est obtenue par refroidissements successifs, cette opération consommant en énergie de 10 à 15 p. 100 du gaz. Une fois transporté, le gaz est stocké, toujours sous forme liquide. Dans certaines installations, son réchauffement ultérieur est couplé à des unités de refroidissement, qui récupèrent ainsi une fraction de cette énergie. C'est en partie pour des raisons de facilité de transport que l'hydrogène et l'oxygène liquides servent à la propulsion des lanceurs qui mettent en orbite les satellites.

Méthanier

Photographie : Méthanier

L'intérieur de ce méthanier construit au Japon, en 1973, a l'apparence d'un gigantesque rayon de miel. La cryogénie permet le transport maritime de gaz à l'état liquide. 

Crédits : Hulton Getty

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La dernière étape de l'utilisation des gaz liquéfiés a été de les considérer directement comme des sources de froid, ce qui a permis d'employer aussi l'azote liquide. Les applications industrielles du froid se sont alors multipliées et diversifiées. On peut citer, par exemple, le décapage et le nettoyage des surfaces, l'ébarbage des pièces en matière plastique, l'emboutissage de pièces métalliques, le refroidissement des sols lors de creusements de puits ou de tunnels, le refroidissement du béton, l'obtention de vides élevés (cryopompage), la congélation alimentaire, etc.

Les très basses températures, acquises essentiellement à l'aide d'hélium liquide, servent à obtenir et maintenir l'état supraconducteur d'alliages supportant de forts champs magnétiques : en effet, la principale application industrielle des supraconducteurs est l'obtention de forts champs magnétiques, utilisés en imagerie médicale par résonance magnétique et dans certains grands accélérateurs de particules. La construction de trains à très grande vitesse maintenus en lévitation au-dessus des rails par d'intenses champs magnétiques n'est possible qu'à l'aide d'électroaimants supraconducteurs. Il existe aussi des applications dites à courants f [...]

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Pour citer l’article

Jean MATRICON, Georges WAYSAND, « FROID, physique », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/froid-physique/