Archives mensuelles : janvier 2010

Les états de la matière

Tout le monde connait les 3 états de la matière : solide, liquide et
gaz. Cependant, peu de personnes sont capables de bien définir ces 3 états et il en existe d’autres que peu de gens connaissent.

états de la matière

Les états « classiques »

Prenez un glaçon (solide), mettez le dans une casserole et chauffez le : le glaçon va fondre en eau (liquide) puis l’eau va se vaporiser en vapeur (gaz). Ca y est, vous venez d’explorer la matière dans tous ses états !

Pour comprendre les différents états de la matière, on peut dessiner un diagramme de phases qui représentent les 3 états (ou phases) d’un élément en fonction de sa température et de sa pression. Dans le cas de l’eau à pression atmosphérique (1 bar), la phase est solide en dessous de 0°C, liquide entre 0°C et 100°C et gazeuse au dessus de 100°C. Le passage d’une phase à une autre porte un nom précis et se réalise à pression et à température constante, il y a donc des points (en fait des lignes) où 2 états de la matière coexistent lors du changement de phase.

 

diagramme etats

Diagramme de phases de l’eau


Il faut bien comprendre que pour connaitre l’état d’un élément, il ne suffit pas de connaitre sa température: sa pression est également indispensable! Par exemple, on peut obtenir de la vapeur d’eau à -10°C à très basse pression et de l’eau liquide à 300°C sous haute pression, ce qui peut s’avérer très pratique. L’eau liquide pressurisée à environ 300 °C est par exemple utilisée dans certains réacteurs nucléaires pour refroidir le cœur de la centrale (centrales de type EPR), voir ce billet sur le blog d’Alexandre Moatti.

Il existe également 2 points particuliers :

  • Le point triple où les 3 états coexistent ensemble (0,006 bar et 0,01°C pour l’eau).
  • Le point critique : au-delà de ce point, liquide et gaz ne sont plus distinguables et on parle alors de fluide supercritique (218 bar et 374 °C pour l’eau).  C’est en quelque sorte un état indéfini, car au-delà de ce point, les transitions de phase sont impossibles et donc il n’est plus possible de distinguer gaz et liquide.

Caractéristiques microscopiques et propriétés

Les solides sont caractérisés par un agencement des atomes très ordonnés et rapprochés. Il est donc très difficile de les comprimer car il y a peu d’espace entre les atomes. De plus, tous les atomes sont liés fortement les uns aux autres, ce qui confère aux solides une forme propre bien délimitée dans l’espace.

Les liquides sont caractérisés quant à eux par un agencement désordonnés des atomes mais toujours assez rapprochés, ils sont donc également difficilement compressibles. En revanche, les atomes sont peu liés les uns aux autres et les liquides ne possèdent donc pas de forme propre et peuvent d’évaporer facilement.

Les gaz sont caractérisés par un agencement des atomes désordonnés et espacés et peuvent ainsi être comprimé facilement. Les atomes ne sont pas liés les uns aux autres et sont très agités. Pour ces raisons, les gaz se répandent librement et n’ont pas de forme propre sans pouvoir être délimités.

Le verre

verre fusion

Le verre est-il solide ou liquide ? La réponse parait évidente: solide ! Malheureusement, la réalité n’est pas aussi évidente. En effet, le verre serait plutôt un liquide extrêmement visqueux mais là encore, les avis divergent. Du point de vue microscopique, le verre ressemble vraiment à un liquide car il possède des atomes très désordonnés sans aucun schéma répétitif contrairement à un cristal qui lui est bien ordonné et appartient donc à la famille des solides. Du point de vue thermodynamique, là encore il est difficile de trancher, le verre est fabriqué à partir d’une phase liquide très chaude qui quand on la refroidit et ne subit pas la transition de phase normale vers le solide (cristal) mais une transition dite « vitreuse » et caractéristique du verre.

Mais attention tout de même, contrairement à certaines croyances, le verre ne coule pas et si les vitres de Versailles sont plus épaisses en bas qu’en haut ce n’est pas parce que le verre a coulé mais à cause du procédé de fabrication de l’époque.

La matière molle

tomate cube

Le problème est que les 3 états que je qualifie de « classiques » ne suffisent parfois pas à bien caractériser un état de la matière. Même des choses communes posent parfois problème. Par exemple, comment qualifieriez-vous la mousse à raser, du dentifrice, un gel douche ou bien de la gelée alimentaire ? La réponse n’est pas si aisée, surtout si on y regarde de plus près au microscope. En fait, on qualifie ces matières de « molles ».

La matière molle est une appellation qui regroupe les colloïdes (substances ayant 2 phases dont les particules d’une phase sont très petites et diffusées dans l’autre phase comme une mousse au chocolat), les cristaux liquides (les écrans de vos montres électroniques) et les polymères (ensemble de macromolécules comme les plastiques). Cette physique de la matière molle est très récente et a émergée il y a une quarantaine d’années, particulièrement avec le prix Nobel de physique français Pierre-Gilles De Gennes. L’étude de la matière molle constitue toujours un intérêt majeur pour la recherche qui ne cesse de progresser dans la compréhension de ces états de la matière qui intriguent.

Le plasma

Le plasma est un quatrième état de la matière bien à part qui est caractérisé par le fait que les électrons peuvent se mouvoir librement alors que dans les trois autres phases classiques (solide, liquide et gaz), les électrons sont liés aux noyaux des atomes en gravitant autour. Les plasmas sont obtenus en portant à très haute température un gaz ou en appliquant un important champ électrique, on parle alors de gaz ionisé.

Les plasmas sont très répandus dans l’univers (étoiles, quasars, pulsars)  mais sont également présents dans des phénomènes naturels terrestres comme les aurores boréales ou plus simplement les éclairs. Dans les applications domestiques, certains téléviseurs plats (écrans plasmas) utilisent cet état de la matière
ainsi que dans ces fameuses « boules à plasma » qu’on trouve dans certains magasins de gadgets.

Lampe Plasma
Superfluide

Il existe également d’autres états bien distincts des autres par leurs propriétés exceptionnelles. C’est le cas des superfluides qui ne présentent pas de viscosité (ils s’écoulent parfaitement) à très basse température. Ce phénomène est observé uniquement en laboratoire et se produit avec de l’hélium refroidi en dessous de -271°C (2,2 K). Voir un de mes billets précédents sur les supers états.

Il existerait également un phénomène analogue sur les solides (supersolides) mais les observations sont encore controversées… Affaire à suivre. Tout cela pour vous faire comprendre que la matière est parfois plus complexe qu’il n’y parait et que même les physiciens ont du mal à classer et comprendre toutes ces formes de matière parfois étranges

ARVA : Appareil de Recherche de Victimes en Avalanches

Tous les skieurs de randonnée sont familiers à cet appareil qui peut sauver des vies en cas d’avalanches. 

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Trois skieurs passant devant une avalanche

Hier, j’ai participé pour la deuxième fois à la journée sécurité de la section de ski de randonnée du CERN pour s’entrainer à utiliser cet appareil. Explication de son fonctionnement ici !

Attention : ce billet n’est pas une explication de l’utilisation d’un ARVA qui est propre à chaque appareil et que tous les utilisateurs doivent connaitre avant de faire des sorties! Il est conseillé pour cela de faire des formations pratiques sur le terrain avec des professionnels.

Le terme ARVA représente en France l’ensemble des appareils capables d’émettre ou de chercher un signal électromagnétique dans le but de localiser des personnes ensevelies par une avalanche. Notez qu’en Suisse, on parle de DVA (Détecteur de Victimes d’Avalanche).

Un ARVA peut fonctionner soit en monde émission (mode par défaut pendant la randonnée), soit en mode réception pour détecter d’éventuels signaux provenant d’un autre appareil enseveli sous la neige.

 L’émission

L’ARVA émet un signal électromagnétique haute fréquence bien précis de 457 kHz (norme internationale depuis 1992). Il est équipé d’une antenne dipolaire créant un champ ,électromagnétique dans son entourage. 

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Lignes de champ électromagnétiques crées par un ARVA

 L’antenne est constituée d’un barreau de ferrite entouré d’une bobine électrique généralement orientée selon le plus grand côté de l’appareil. En alimentant cette
bobine par un signal électrique, on créé un champ électromagnétique. Si les piles de l’ARVA sont usées, le signal sera moins fort : il est donc indispensable d’avoir des piles bien chargées ! Pour économiser les piles, le signal n’est pas émis de manière continue mais par des impulsions brèves. La portée du signal peut variée entre 30m et 60m selon les modèles et les, piles.

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Signal émis par un ARVA selon la norme ETS300718

 La réception

Si une avalanche se produit et ensevelie plusieurs personnes, toutes les personnes à la surface éteignent leur ARVA (s’ils sont dans une zone sécurisée) et une (ou plusieurs) personnes va passer son ARVA en position «récepteur» de manière à localiser les signaux émis par les ARVA des personnes sous la neige.

avalanche tintin

   A l’époque de Tintin, l’ARVA n’existait pas encore, mieux valait avoir un chien…

Le signal reçu est maximal lorsque les 2 antennes se rapprochent et lorsqu’elles sont parallèles (enfin lorsque l’antenne réceptrice est parallèle à la ligne de champ). La position de l’ARVA de la personne ensevelie par rapport à la position de l’ARVA de la personne effectuant les recherches est donc très importante et difficile à gérer comme on ne connait pas la position de la personne ensevelie.

Il existe des ARVA analogiques dans lesquels un « BIP » sonore augmente lorsque le signal reçu augmente (il y a en général une molette de calibrage pour obtenir un réglage plus fin). Dans ce cas, il n’y a pas d’indication de distance ou de direction et leur utilisation demande un entrainement régulier pour être efficace en situation réelle (en général, on dispose de 15 minutes pour retrouver une personne vivante).

Depuis quelques années, le marché a vu l’apparition d’ARVA numériques qui permettent d’évaluer la distance (en fonction de la force du signal) ainsi que la direction de l’émetteur grâce à une deuxième antenne réceptrice perpendiculaire à la première (voir même une troisième de manière à former un trièdre dans les 3 dimensions).

ARVA
Un ARVA analogique et un ARVA numérique

Attention : la distance et la direction données par les ARVA (analogiques et numériques) ne sont pas forcément très bonnes et peuvent induire en erreur, particulièrement pour des récepteurs à une seule antenne :

– La position entre l’antenne émettrice et l’antenne réceptrice affecte l’intensité du signal reçu. Si l’antenne réceptrice est orientée selon la ligne de champ, le signal est maximal, à 45° le signal est divisé par environ 1,4 et si l’antenne est perpendiculaire aux lignes de champ, le signal est quasi-nul !! On voit ici l’intérêt d’avoir un ARVA possédant 2 ou 3 antennes pour être sûr de toujours détecter un signal assez fort.

– Il est important de savoir que les appareils fournissant une direction et une distance sont basés sur les lignes de champ du signal reçu. Ceci implique que
la distance n’est pas la distance en ligne droite mais la distance en suivant la ligne de champ qui est courbe. De plus, la direction n’est pas la direction en ligne droite mais la direction de la ligne de champ, sachant que le sens n’est pas connu : on peut donc partir à priori dans le sens opposé, d’où l’importance de vérifier que la distance diminue bien lorsqu’on suit une direction (ne pas hésiter à faire demi-tour).

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 Evolution d’une recherche avec un ARVA

Plusieurs situations possibles selon l’orientation de la personne ensevelie :

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Personne enfouie horizontalement (le cas le plus courant) : le maximum est atteint juste au dessus de la victime (b) si on tient son ARVA horizontalement au sol et les maxima locaux ,sont symétriques (a et c).

 

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Personne enfouie verticalement (rare) : on détecte 2 maxima de part et d’autre de la victime (a et c) et un minimum juste au dessus (b) si on tient son
ARVA horizontalement au sol.

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Personne enfouis en biais (fréquent) : On détecte un maximum à proximité de la victime mais pas à l’aplomb (b) et les maxima locaux (a et c) ne sont pas
symétriques.

 Pour faire face à ces différents problèmes de recherche, il existe différentes techniques spécifiques (que je ne détaillerai pas ici, ce n’est pas le propos de ce billet) mais celles-ci demandent un entrainement vraiment régulier et allongent significativement le temps de recherche. Les ARVA équipés de plusieurs antennes de réception sont une première solution car ils permettent de gérer plusieurs directions à la fois et sont donc plus efficace lorsque la personne n’est pas parfaitement horizontale mais ils ne résolvent pas non plus tous les problèmes étant donnée que la position de l’ARVA enseveli est inconnue. Il faut simplement avoir en tête ces lignes de champ et ne pas suivre aveuglément les indications tout en évitant de « brusquer » les ARVA en les faisant tourner dans tous les sens pour ne pas les « perdre ».

Le contrôle industriel

Les raffineries de pétrole, les centrales nucléaires, les sucreries, les chaines d’assemblage automobile, les stations d’épuration, les fabriques de textiles, les aciéries, etc. Toutes ces industries ont un point commun : elles sont pilotées de manière plus ou moins automatique, mais comment ?

Chaplin Modern Times

La discipline qui s’occupe de répondre à cette question s’appelle le contrôle industriel et regroupe un ensemble très divers de techniques, de technologies et de disciplines scientifiques pour automatiser les différents processus industriels.

L’industrie

Un processus industriel représente un ensemble de machines et d’équipements permettant la fabrication ou la transformation de produits identiques en grande quantité.

Le contrôle industriel est né naturellement avec l’Organisation Scientifique du Travail (OST) à la fin du 19ème siècle (taylorisme puis fordisme) dont l’objectif était de développer scientifiquement une nouvelle technique pour chaque aspect de la tâche d’un travailleur, pour remplacer la méthode empirique utilisée traditionnellement. En gros: remplacer les hommes par des machines !

fordisme

Les systèmes de contrôle

Pour contrôler ces machines industrielles modernes, l’homme a du créer des systèmes de contrôle capables de piloter ces machines. Ainsi, on voit se dessiner naturellement 3 entités distinctes interagissant au sein des industries :

  • 1 – Les hommes (directions, ingénieurs, techniciens, opérateurs)
  • 2 – Les systèmes de contrôle (systèmes de communication, d’archivage et de calcul)
  • 3 – Les processus (les équipements et les machines)

Entre chaque entité, il existe des interfaces permettant d’échanger des informations. Ces interfaces ont fortement évoluées durant les dernières décennies grâce au « boom » des télécommunications. Ces 3 interfaces sont les suivantes:

  • – L’instrumentation : communication entre le système de contrôle et les machines au travers de capteurs (capteur de température, de pression, etc.) et d’actionneurs (vannes, vérins, moteurs, etc.).
  • L’Interface Homme Machine (IHM ou HMI en anglais) : système de supervision
    permettant de surveiller et de diagnostiquer l’état des équipements mais aussi d’agir sur eux en dialoguant avec le système de contrôle.
  • L’Interface locale : interaction physique directe entre les hommes et les machines en cas d’opération manuelle nécessaire sans avoir recours au système de contrôle (ex : ouverture d’une vanne à la main).

 Le système de contrôle peut alors être divisé en 3 couches distinctes:

  • a) Couche de terrain : système de communication avec le processus. Cette communication se fait généralement par le biais de bus de terrain (un réseau robuste adapté au milieu industriel pour dialoguer avec les capteurs et actionneurs).
  • b) Couche de contrôle : contient la logique de fonctionnement du processus pour le piloter. C’est ici que toute la connaissance est stockée et que les calculs sont effectués, généralement par des PC industriels ou des Automates Programmables Industriels (API ou PLC anglais). En général, c’est un algorithme informatique qui est exécuté de manière cyclique en temps réel. Cet algorithme lit les données du processus (entrées) et calcule la position des différents actionneurs (sorties) pour piloter le processus.
  • c) Couche de supervision : permet de réaliser l’Interface Homme Machine. En général un système de base de données archive les données des processus et les opérateurs agissent et surveillent les installations via des terminaux de supervision comme des ordinateurs ou des écrans tactiles reliés à cette base de données via un réseau Ethernet.

syst controle

L’automatique

Une fois toutes ces infrastructures de contrôle mises en place, il faut étudier le fonctionnement et la dynamique des processus pour pouvoir les contrôler à partir d’un programme informatique exécuté dans la couche de contrôle.

La science qui étudie la modélisation, l’analyse, la commande et la régulation
des systèmes dynamiques s’appelle l’automatique. Cette discipline (qui est le cœur de mon métier) peut faire partie de la physique, de l’informatique ou des sciences de l’ingénieur selon l’approche adoptée (c’est d’ailleurs une question qui divise malheureusement notre communauté). Dans l’industrie, on parle le plus souvent de contrôle-commande pour parler de cette discipline lorsqu’elle est appliquée à un système industriel.

J’ai déjà fait sur ce blog trois billets pour l’automatique (une Introduction, La Modélisation et La Commande) et je ne vais pas donc entrer dans les détails ici. Il faut juste retenir que pour mettre en place des systèmes de régulation (par exemple maintenir la température d’un four à 1000°C ou maintenir un ratio précis entre du propane et du butane dans une colonne de distillation), une modélisation dynamique des processus est nécessaire (il faut mettre les différentes grandeurs physiques des processus en équations) de manière à venir étudier la stabilité et le comportement des systèmes pour pouvoir mettre en place une loi de commande pour piloter les actionneurs (vannes, chauffages, moteurs, vérins, etc).

Les applications

Il est impossible de lister de manière exhaustive tous les domaines d’application du contrôle industriel car il intervient dans absolument tous les domaines de l’industrie. On peut juste citer l’aérospatial, l’agroalimentaire, l’automobile, la chimie, l’énergie, l’environnement, la médecine, l’extraction des sols (mines), le pétrole, la pharmacie, le papier, le transport, les textiles, le verre, la céramique, la sidérurgie, etc.

 Cependant, il est utile de préciser que les techniques du contrôle industriel peuvent être utilisées en dehors des industries et des usines. C’est le cas par exemple dans les grands instruments scientifiques comme les accélérateurs de particules. En effet, ces machines sont très similaires aux installations industrielles et elles utilisent les mêmes outils que l’industrie en matière de contrôle, même si parfois il faut développer des solutions spécifiques à ces machines uniques au monde. Ainsi, tout le système de contrôle permettant le refroidissement des 27 km d’aimants supraconducteurs du LHC (le plus puissant accélérateur de particules du monde au CERN à Genève) est analogue aux systèmes de contrôle que l’on pourrait trouver dans une raffinerie de pétrole. Pour info, le système de contrôle pour le refroidissement des aimants (un système parmi tant d’autres dans le LHC) comprend à lui seul 42 000 entrées/sorties et plus de 5000 boucles de régulation: on voit bien ici l’intérêt d’un système de contrôle industriel !!

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Ecran de supervision du système de contrôle pilotant un réfrigérateur à hélium pour le LHC