[Détermination de la constante de Boltzmann au LNE-INM/CNAM : une méthode acoustique de nouvelle génération]
La détermination expérimentale de la constante de Boltzmann k fait l'objet de plusieurs nouvelles expériences de haute exactitude au sein de la communauté des métrologues. En effet, reliée au quantum d'énergie d'agitation thermique kT, où T est la température thermodynamique, la fixation de la valeur numérique de k pourrait conduire à une nouvelle définition du kelvin, unité de température thermodynamique.
La mesure de la vitesse de propagation du son dans un gaz rare donne accès à la constante de Boltzmann. La présente expérience se propose d'effectuer de telles mesures dans une cavité résonnante fermée. Pour réaliser une mesure de haute exactitude il est indispensable de contrôler soigneusement et de mesurer de nombreux paramètres du dispositif expérimental (pureté du gaz, pression statique, homogénéité de température, forme géométrique de la cavité, etc.). La pertinence des modèles théoriques permettant de calculer les corrections à apporter à la situation nominale idéale de la propogation acoustique, et d'estimer l'incertitude, doit également être validée.
Les nouvelles mesures effectuées au LNE-INM/CNAM reprennent les principes de l'expérience acoustique réalisée au NIST en 1988 par Moldover et al., expérience ayant conduit, à ce jour, à la meilleure détermination expérimentale de k. La description des modifications et des améliorations apportées par le présent dispositif, les premiers éléments de caractérisation obtenus, et les bénéfices attendus en termes d'incertitude, font l'objet du présent article.
There is currently great interest in the international metrology community for new accurate determinations of the Boltzmann constant k, with a view to a new definition of the unit of thermodynamic temperature, the kelvin. Indeed, k is related to the quantum of energy kT, where T is the thermodynamic temperature.
The value of the Boltzmann constant can be obtained from measurements of the velocity of the sound in a noble gas. In the method described here, the experiment is performed in a closed spherical cavity. To obtain an accurate value for k, all the parameters of the experiment (gas purity, static pressure, temperature of the device, exact shape of the cavity, etc.) have to be carefully controlled. As correction terms have to be applied to the acoustic signals, the validity of the theoretical models from which they are derived is crucial.
The new determination carried out at the LNE-INM/CNAM is based on the same principles as in the acoustic experiment of Moldover et al. at NIST in 1988, which led to the most accurate determination of the Boltzmann constant up to now. However, several fundamental modifications and improvements have been made in this new experiment to measure and control the parameters that set the measured value of k.
Mot clés : Métrologie, Température, Constante de Boltzmann, Acoustique, Thermodynamique, Électromagnétisme
Laurent Pitre 1 ; Cécile Guianvarc'h 1 ; Fernando Sparasci 1 ; Arnaud Guillou 1 ; Daniel Truong 1 ; Yves Hermier 1 ; Marc E. Himbert 1
@article{CRPHYS_2009__10_9_835_0,
author = {Laurent Pitre and C\'ecile Guianvarc'h and Fernando Sparasci and Arnaud Guillou and Daniel Truong and Yves Hermier and Marc E. Himbert},
title = {An improved acoustic method for the determination of the {Boltzmann} constant at {LNE-INM/CNAM}},
journal = {Comptes Rendus. Physique},
pages = {835--848},
publisher = {Elsevier},
volume = {10},
number = {9},
year = {2009},
doi = {10.1016/j.crhy.2009.11.001},
language = {en},
}
TY - JOUR AU - Laurent Pitre AU - Cécile Guianvarc'h AU - Fernando Sparasci AU - Arnaud Guillou AU - Daniel Truong AU - Yves Hermier AU - Marc E. Himbert TI - An improved acoustic method for the determination of the Boltzmann constant at LNE-INM/CNAM JO - Comptes Rendus. Physique PY - 2009 SP - 835 EP - 848 VL - 10 IS - 9 PB - Elsevier DO - 10.1016/j.crhy.2009.11.001 LA - en ID - CRPHYS_2009__10_9_835_0 ER -
%0 Journal Article %A Laurent Pitre %A Cécile Guianvarc'h %A Fernando Sparasci %A Arnaud Guillou %A Daniel Truong %A Yves Hermier %A Marc E. Himbert %T An improved acoustic method for the determination of the Boltzmann constant at LNE-INM/CNAM %J Comptes Rendus. Physique %D 2009 %P 835-848 %V 10 %N 9 %I Elsevier %R 10.1016/j.crhy.2009.11.001 %G en %F CRPHYS_2009__10_9_835_0
Laurent Pitre; Cécile Guianvarc'h; Fernando Sparasci; Arnaud Guillou; Daniel Truong; Yves Hermier; Marc E. Himbert. An improved acoustic method for the determination of the Boltzmann constant at LNE-INM/CNAM. Comptes Rendus. Physique, Volume 10 (2009) no. 9, pp. 835-848. doi : 10.1016/j.crhy.2009.11.001. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2009.11.001/
[1] Résolution 3, 10e Conférence générale des poids et mesures, 1954
[2] Résolution 12, 11e Conférence générale des poids et mesures, 1960
[3] Résolution 7, 21e Conférence générale des poids et mesures, 1999
[4] Résolution 5, 20e Conférence générale des poids et mesures, 1995
[5] Résolution 1, 17e Conférence générale des poids et mesures, 1983
[6] Theory of Sound, Dover, 1945
[7] Theoretical Acoustics, McGraw-Hill, New York, 1968
[8] Manuel d'acoustique fondamentale, Hermès, Paris, 1998
[9] Acoustic field in a quasi-spherical resonator: Unified perturbation model, J. Acoust. Soc. Am., Volume 123 (2009), pp. 1416-1425
[10] Measurement of the universal gas constant R using a spherical acoustic resonator, J. Res. Natl. Bur. Stand., Volume 93 (1988), pp. 85-144
[11] Gas-filled spherical resonators: Theory and experiment, J. Acoust. Soc. Am., Volume 79 (1986), p. 253
[12] Calibration of condenser microphones under increased atmospheric pressures, J. Acoust. Soc. Am., Volume 51 (1972), p. 6
[13] The static pressure and temperature coefficients of laboratory standard microphones, Metrologia, Volume 36 (1999), pp. 265-273
[14] Characterization of condenser microphones under different environmental conditions for accurate speed of sound measurements with acoustic resonators, Rev. Sci. Instrum., Volume 80 (2009), p. 074901-10
[15] E.F. May, L. Pitre, J.B. Mehl, M.R. Moldover, J.W. Schmidt, Quasi-spherical cavity resonators for metrology based on the relative dielectric permittivity of gases, Rev. Sci. Instrum. 75, 3307
[16] Acoustic thermometry: New results from 273 K to 77 K and progress towards 4 K, Metrologia, Volume 43 (2006), pp. 142-162
[17] Realization of the triple point of water in metallic sealed cells at the LNE-INM/CNAM: A Progress Report, 10th Tempmeko, Lake Louise, Canada, 21–25 May 2007 (Int. J. Thermophys.), Volume 29 (2008) no. 3, pp. 825-835
[18] Second-order electromagnetic eigenfrequencies of a triaxial ellipsoid, Metrologia, Volume 46 (2009), pp. 554-559
[19] Progress towards an acoustic/microwave determination of the Boltzmann constant at LNE-INM/CNAM: Progress Report, 10th Tempmeko, Lake Louise, Canada, 21–25 May 2007 (Int. J. Thermophys.), Volume 29 (2008) no. 5, pp. 1730-1739
[20] Neutrality of molecules by a new method, Phys. Rev. A, Volume 7 (1973), pp. 1224-1229
[21] The electrical neutrality of atoms and of bulk matter, Metrologia, Volume 41 (2004), p. S125-S135
[22] Theory of the Greenspan viscometer, J. Acoust. Soc. Am., Volume 114 (2003), pp. 166-173
[23] CODATA recommended values of the fundamental physical constants: 2002, Rev. Mod. Phys., Volume 77 (2005), pp. 1-108
[24] R. Underwood, J.B. Mehl, L. Pitre, G.J. Edwards, G. Sutton, M. De Podesta, Meas. Sci. Technol., submitted for publication
Cité par Sources :
Commentaires - Politique