PRESSIONS PHYSIQUE & CHIMIE DES HAUTES

La pression est une grandeur définie comme le quotient d'une force par l'aire de la surface sur laquelle elle s'exerce ; sa valeur s'exprime en pascal (Pa) : 1 Pa = 1 N . m⁻². Comme le pascal est une très petite unité, on utilise souvent ses multiples : l'hectopascal, en météorologie (1 hPa = 10² Pa), le kilopascal (1 kPa = 10³ Pa), le mégapascal (1 MPa = 10⁶ Pa), le gigapascal (1 GPa = 10⁹ Pa), le térapascal (1 TPa = 10¹² Pa). L'utilisation des anciennes unités bar (1 bar = 10⁵ Pa) et atmosphère normale (1 atm = 1 013,250 hPa) est maintenant déconseillée.

L'échelle des hautes pressions dans la nature est très étendue ; au centre de la Terre la pression serait de l'ordre de 370 gigapascals ; au sein de Jupiter, elle serait comprise, suivant les modèles considérés, entre 3,7 et 11 térapascals. Le record de pression appartiendrait aux étoiles à neutrons (10³² Pa en leur centre).

En laboratoire la pression est engendrée par des méthodes statiques ou dynamiques. Dans les appareils générateurs de pression statique, les pressions les plus élevées sont obtenues au moyen de cellules à enclumes de diamant ou d'indenteurs (pointes de diamant extrêmement fines). La limite de pression est de l'ordre de 250 gigapascals. D'après la définition même de la pression, pour une substance donnée, la pression s'exerçant sur elle sera d'autant plus grande que son volume sera plus faible. Dans la pratique on utilise souvent des volumes inférieurs au millimètre cube.

Par contre, dans les expériences en ondes de choc, où la pression dynamique s'exerce pendant un instant très court (quelques microsecondes), les limites de pression sont voisines de 1 térapascal et dépendent de la compressibilité de la substance étudiée (elles sont d'autant plus élevées que la compressibilité est faible).

Lorsque la pression s'exerce sur une substance, elle provoque un rapprochement des particules constitutives (atomes ou molécules). Il en résulte une diminution de volume ou un accroissement de la densité de la substance. Ainsi la densité du césium est trois fois plus élevée à 10 GPa qu'à la pression atmosphérique. La compressibilité des substances diminue quand la pression s'élève ; il en résulte une tendance à l'uniformisation des densités des divers éléments du tableau périodique ; cette uniformisation est presque réalisée à 1 TPa.

La diminution de la distance entre particules entraîne des modifications profondes d'ordre structurel ou d'ordre électronique.

Aspects fondamentaux

Les nuages électroniques des particules créent des forces d'interactions comportant une partie attractive à longue distance et une partie répulsive à courte distance. Les forces attractives sont les forces de Van der Waals, dont la partie la plus importante correspond aux forces de London, c'est-à-dire aux couplages entre les dipôles correspondant aux électrons. Les forces répulsives sont dues à la répulsion des nuages électroniques (ou, selon la mécanique quantique, au principe d'exclusion de Pauli).

Dans un gaz à faible pression, les chocs entre molécules sont négligeables et la pression résulte uniquement des chocs sur les parois (gaz parfait). Lorsqu'on exerce une pression croissante, l'influence des interactions attractives est tout d'abord prédominante, mais celle des interactions répulsives l'emporte rapidement ; ces dernières varient de façon très abrupte avec la distance intermoléculaire, ce qui explique en particulier la faible compressibilité de la matière dans les états denses (fluide et solide).