Étude de la condensation et de l'évaporation de l'hélium dans les milieux poreux : effets du confinement et du désordre

Study of condensation and evaporation of helium in porous media : effect of confinement and disorder

• Auteur / Autrice : Fabien Bonnet
• Direction : Pierre-Etienne Wolf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hélium

Transition de phase

Résumé

L'étude de la transition liquide-gaz dans les matériaux poreux permet de tester l'influence du désordre et du confinement sur une transition de phase du premier ordre. L'hélium, grâce à sa faible tension de surface, autorise l'étude dans une large gamme de matériaux, notamment ceux à porosité très élevée, comme les aérogels de silice. Il est alors possible, en faisant varier la porosité et/ou la microstructure, de jouer sur le désordre et/ou le confinement. La principale conséquence est l'évolution du cycle d'hystérésis observé dans les isothermes entre condensation et évaporation. Dans le cas des aérogels de silice, une transition hors d'équilibre induite par le désordre est prédite par un modèle numérique de type RFlM, ce traduisant par une divergence de la pente de la branche d'adsorption à basse température. Nos mesures, dans deux échantillons de porosité différente, montrent cette divergence et confirment l'évolution de la température de transition avec la porosité prédite par le modèle. De plus, l'étude qualitative et quantitative du signal optique, que nous acquerrons pendant les isothermes, permet une visualisation des macro¬avalanches prédites par le modèle (transition brutale à une échelle macroscopique entre un mélange hétérogène - bulles et gouttes - et un état liquide). Parallèlement, nous avons étudié un autre matériau poreux, le Vycor, où le confinement est le paramètre clef. Pour interpréter les observations expérimentales, nous avons développé un modèle numérique qui nous a permis de comprendre des phénomènes aussi varier que l'évolution de la densité du liquide confiné avec la température ou la modification de la tension de surface par le confinement.

The liquid-gas transition study in porous media allows for a test of the influence of confinement and disorder on a first order phase transition. Thanks to its low surface tension, helium can be use d, combined with materials ofhigh porosity, such as silica aerogels. Therefore, disorder and/or confinement can be changed by varying the porosity and/or the micro-structure. The main consequence is a variation in temperature of the observed shape of the hysteresis cycle in isotherms between condensation and evaporation. With silica aerogels, an out of equilibrium disorder driven phase transition is predicted by a numerical model, it is characterized by the divergence of the adsorption branch slope at low temperature. Our experiments, with two samples of different porosity, show this divergence and confirm the evolution of the transition tempe rature with porosity predicted by the mode!. During isotherms, we performed optical measurements, which confirm our thermodynamical observations and the disorder driven transition approach. Ln parallel, we have studied another porous glass, the Vycor, in which the confinement seems to be the influence parameter. We have developed a numerical model to interpret our observations. It explains different phenomenon, like the evolution of the density of confined