Torr

Définition Formelle

Le torr (symbole : Torr) est une unité de pression définie comme étant exactement 1/760 d'une atmosphère standard. Puisqu'une atmosphère standard équivaut à 101,325 pascals, un torr équivaut exactement à 101,325/760 pascals, ou environ 133,322 Pa. Le torr est nommé d'après Evangelista Torricelli, le physicien italien qui a inventé le baromètre à mercure en 1643.

Le torr est très proche d'un millimètre de mercure (mmHg), mais les deux unités ne sont pas identiques. Un mmHg est défini comme la pression exercée par une colonne de 1 mm de mercure à 0°C sous l'accélération gravitationnelle standard, ce qui équivaut à environ 133,322 387 415 Pa. Un torr équivaut exactement à 133,322 368 421 Pa. La différence est inférieure à 0,000015 % — négligeable à toutes fins pratiques — mais existe parce que le torr est défini algébriquement (1/760 atm) tandis que le mmHg est défini physiquement.

Domaine Principal

Le torr est principalement utilisé en science du vide, où il sert d'unité pratique pour des pressions bien en dessous de l'atmosphérique. La pression atmosphérique équivaut à 760 Torr, et les systèmes de vide fonctionnent généralement dans la plage de plusieurs centaines de torr jusqu'à 10⁻¹⁰ Torr ou moins. La large plage dynamique du torr et son association historique avec la technologie du vide en ont fait l'unité dominante dans ce domaine.

Nommé d'après Torricelli

L'unité est nommée d'après Evangelista Torricelli (1608-1647), un mathématicien et physicien italien qui a étudié sous Galileo Galilei dans les derniers mois de la vie de Galileo. La plus grande contribution de Torricelli fut l'invention du baromètre à mercure en 1643, qui a démontré que l'atmosphère exerce une pression mesurable. Le nom de l'unité "torr" a été proposé par l'Organisation internationale de normalisation (ISO) en 1950 et est en usage courant depuis.

Prononciation et Pluriel

Le torr se prononce pour rimer avec "bore" ou "more." Le pluriel de torr est "torr" — pas "torrs." Cela suit la convention pour les unités nommées d'après des personnes : un torr, deux torr, 760 torr. Le symbole est "Torr" avec un T majuscule, suivant la convention selon laquelle les symboles d'unité dérivés de noms propres commencent par une lettre majuscule.

Le Baromètre de Torricelli

En 1643, Evangelista Torricelli remplit un tube en verre (environ 1 mètre de long, scellé à une extrémité) avec du mercure, l'inverse dans un plat de mercure, et observa que la colonne de mercure chutait à environ 760 mm. L'espace au-dessus du mercure — maintenant appelé le vide de Torricelli — était l'un des premiers vides artificiels jamais créés. Torricelli conclut correctement que l'atmosphère pousse sur le mercure dans le plat, soutenant la colonne, et que la hauteur de la colonne mesure la pression atmosphérique.

Torricelli écrivit à son ami Michelangelo Ricci : "Nous vivons au fond d'un océan d'air." Cette description poétique captura une idée révolutionnaire — l'atmosphère a du poids, et sa pression peut être mesurée. L'expérience de Torricelli résolut des décennies de débat sur la raison pour laquelle les pompes à succion ne pouvaient pas élever l'eau à plus d'environ 10 mètres, une limitation qui avait intrigué les ingénieurs depuis l'Antiquité.

Développement de la Science du Vide

Le torr est devenu l'unité naturelle pour la science du vide à mesure que le domaine se développait. Les premières pompes à vide, développées par Otto von Guericke (1654) et Robert Boyle (1659), étaient rudimentaires selon les normes modernes mais pouvaient réduire la pression à quelques torr. À la fin du 19ème siècle, les pompes à déplacement de mercure de Heinrich Geissler atteignaient des pressions inférieures à 0.01 Torr, permettant la découverte des rayons cathodiques et des rayons X. Les pompes turbomoléculaires modernes et les pompes à ions peuvent atteindre des pressions inférieures à 10⁻¹¹ Torr.

Formalisation

Le torr a été formellement adopté comme unité de pression par l'ISO en 1950, défini comme 1/760 d'une atmosphère standard. Cette définition a été choisie pour faire en sorte que 760 Torr soit exactement égal à 1 atm, simplifiant la convention de longue date de mesurer la pression atmosphérique comme "760 mm de mercure." L'unité a été approuvée par des organisations scientifiques du monde entier et reste l'unité de pression dominante en science du vide.

Systèmes de Vide

Le torr est l'unité standard en technologie du vide dans la plupart des régions du monde (avec le millibar utilisé comme alternative dans certaines applications européennes). Les pompes à vide sont classées par leur pression ultime en torr : les pompes à palettes rotatives atteignent 10⁻³ Torr, les pompes turbomoléculaires atteignent 10⁻¹⁰ Torr, et les cryopompes atteignent 10⁻¹² Torr. Les manomètres de vide — Pirani, Penning, manomètre à ions et manomètre capacitif — affichent tous la pression en torr.

Fabrication de Semiconducteurs

L'industrie des semiconducteurs dépend fortement des systèmes de vide et utilise largement le torr. Les processus de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) fonctionnent à 0.1-10 Torr. Le dépôt physique en phase vapeur (PVD/sputtering) nécessite 10⁻³-10⁻² Torr. Les chambres d'implantation ionique fonctionnent à 10⁻⁶-10⁻⁵ Torr. Les recettes de processus dans les fabs de semiconducteurs spécifient des pressions en torr ou millitorr (mTorr).

Dépôt de Films Minces

Les technologies de revêtement — des revêtements anti-reflets sur les lunettes aux revêtements décoratifs sur les montres — utilisent le dépôt sous vide à des pressions mesurées en torr. L'évaporation thermique fonctionne à 10⁻⁵-10⁻⁶ Torr. L'évaporation par faisceau d'électrons nécessite des pressions similaires. Le sputtering par magnétron fonctionne à 1-10 mTorr.

Recherche Scientifique

Les accélérateurs de particules, la science des surfaces et la spectrométrie de masse fonctionnent tous dans des conditions de vide mesurées en torr. Le Grand collisionneur de hadrons au CERN fonctionne à des pressions inférieures à 10⁻¹⁰ Torr dans son tube de faisceau. Les instruments d'analyse de surface (XPS, AES, STM) nécessitent un ultra-haut vide en dessous de 10⁻⁹ Torr pour garder les surfaces propres pendant l'analyse.

Ampoules et Tubes à Vide

Les ampoules à incandescence contiennent un gaz inerte à pression réduite, typiquement 500-700 Torr (légèrement en dessous de l'atmosphérique). La pression réduite diminue les pertes de chaleur convective de la filament. Les tubes fluorescents contiennent de la vapeur de mercure à environ 0.003-0.01 Torr. Les enseignes au néon fonctionnent à 1-20 Torr — la pression exacte affecte la luminosité et la couleur de la lueur.

Emballage Alimentaire

L'emballage alimentaire sous vide élimine l'air à des pressions d'environ 10-50 Torr, prolongeant la durée de conservation en réduisant l'oxydation et la croissance microbienne. La lyophilisation des aliments comme le café instantané et la glace des astronautes implique de réduire la pression à environ 0.1-1 Torr pendant que le produit est congelé, provoquant la sublimation directe de la glace en vapeur.

Pression Artérielle

Bien qu'elle soit généralement exprimée en mmHg plutôt qu'en torr, les mesures de pression artérielle sont numériquement équivalentes dans les deux unités. Une pression artérielle normale de 120/80 mmHg est essentiellement 120/80 Torr. Les sphygmomanomètres (manchons de pression artérielle) utilisaient historiquement des colonnes de mercure, mesurant directement la pression en mmHg, bien que les dispositifs numériques modernes calculent les mêmes valeurs électroniquement.

Flacons Thermos

Les conteneurs isolés sous vide (flacons Dewar, bouteilles thermos) maintiennent un vide d'environ 10⁻³-10⁻⁴ Torr entre leurs doubles parois. Ce vide réduit considérablement le transfert de chaleur par conduction et convection, gardant les boissons chaudes chaudes et les boissons froides froides pendant des heures. La surface intérieure argentée minimise le transfert de chaleur radiatif.

Science des Surfaces

La science des surfaces nécessite des conditions d'ultra-haut vide (UHV) en dessous de 10⁻⁹ Torr pour étudier des surfaces propres. À pression atmosphérique (760 Torr), une surface métallique propre est recouverte d'une monocouche de molécules de gaz en environ 3 nanosecondes. À 10⁻⁶ Torr, cela prend environ 1 seconde. À 10⁻¹⁰ Torr, cela prend environ 3 heures — suffisamment long pour effectuer une analyse de surface détaillée. Cette relation entre pression et taux de contamination de surface motive le besoin d'un vide extrême en science des surfaces.

Spectrométrie de Masse

Les spectromètres de masse nécessitent des conditions de vide pour que les faisceaux d'ions voyagent sans entrer en collision avec des molécules de gaz de fond. Les spectromètres de masse à quadrupôle fonctionnent à 10⁻⁵-10⁻⁶ Torr. Les instruments de temps de vol (TOF) nécessitent 10⁻⁶-10⁻⁸ Torr. Les spectromètres de masse FT-ICR, qui piègent les ions pendant de longues périodes, nécessitent des pressions inférieures à 10⁻⁹ Torr.

Physique des Plasmas

Le traitement des plasmas — utilisé dans la gravure de semiconducteurs, le nettoyage par plasma et la recherche sur la fusion — spécifie des conditions en torr. La gravure par plasma fonctionne à 0.01-1 Torr. Le CVD amélioré par plasma fonctionne à 0.1-10 Torr. Les réacteurs de fusion nécessitent un vide initial en dessous de 10⁻⁸ Torr avant l'ignition du plasma.

Simulation Spatiale

Les chambres de simulation spatiale reproduisent le vide de l'espace pour tester des vaisseaux spatiaux et des instruments. La pression en orbite terrestre basse est d'environ 10⁻⁷ Torr. L'espace interplanétaire est d'environ 10⁻¹⁴ Torr. Les chambres de simulation spatiale atteignent 10⁻⁷-10⁻¹⁰ Torr, combinées avec un cyclage thermique et une simulation de radiation solaire, pour tester l'équipement avant le lancement.