L ’eau dans la planète Terre

Présentation au sujet: "L ’eau dans la planète Terre"— Transcription de la présentation:

1 L ’eau dans la planète Terre

2 La substance eau Vapeur Liquide Solide

3 La substance eau

4 Thermodynamique des changements de phase
Définition de phase: toute partie homogène d ’un système Partie homogène: toutes les parties du système qui possèdent les mêmes propriétés physico-chimiques macroscopiques.

5 Conditions d ’équilibre dans un système à plusieurs phases
On peut déduire la condition d'équilibre des phases des postulats de la thermodynamique Équilibre thermique Équilibre mécanique Équilibre de masse entre les phases La quantité de masse de chaque constituant en moyenne ne varie pas

6 La vapeur d ’eau: Gaz parfait? Discutons
Puisque dans l’air atmosphérique ne contient qu ’une petite pourcentage de vapeur d ’eau, l’erreur commise est petite. : caractéristiques thermodynamiques Rv = J kg-1 K-1 Cvv = 1390 J kg-1 K-1 Cpv = 1850 J kg-1 K-1

7 La vapeur d ’eau: : caractéristiques thermodynamiques
Équation d ’état : Entropie : Enthalpie :

8 Eau liquide liquide: caractéristiques thermodynamiques
Équation d ’état : Enthalpie : Entropie :

9 Eau solide : la glace solide : caractéristiques thermodynamiques
Équation d ’état : Enthalpie : Entropie :

10 L ’eau dans l ’atmosphère

11 L ’eau dans l ’atmosphère

12 Thermodynamique des changements de phase
Définition de phase: toute partie homogène d ’un système Exemples: Air sec + la vapeur d ’eau: nb. de phases ? Air sec + vapeur d ’eau + nappe d ’eau liquide ? Air sec + vapeur d ’eau + gouttelettes d’eau liquide ? Air sec + vapeur d ’eau + cristaux de glace ?

13 Phase stable à T, p La thermodynamique permet de prédire la phase
stable d ’un système à une certaine température et pression. La phase dans laquelle un corps pur se trouve dépend de la température et de la pression. C ’est la phase pour laquelle l ’ énergie libre G est la plus faible.

14 Phase stable à T, p On représente graphiquement les états stables d ’une substance pure sur un diagramme p(T) que s ’appelle diagramme de phase Ce diagramme est construit en examinant la variation de G avec la température.

15 Énergie libre de Gibbs La 2ème loi à température et pression constantes

16 Fonction d ’état pour le cas des changements de phase

17 Quelle est la phase stable ?
Si la température et la pression sont constantes l ’énergie libre de Gibbs ne peut que décroître: La phase la plus stable est celle à laquelle que correspond à l ’énergie de Gibbs la plus faible.

18 Variation de G avec T et p processus réversible et à l ’équilibre

19 Variation de G avec p processus réversible et isotherme
L ’augmentation de la pression peut provoquer la liquéfaction du gaz

20 Variation de G avec T processus réversible et isobare
À pression constante le chauffage d ’un liquide peut provoquer sa vaporisation

21 G à température et pression constante
Point d ’équilibre système à 2 phases gaz + liquide Le système contient les deux phases dans des proportions qui dépendent des autres variables d ’état.

22 G à température et pression constante
On peut varier la proportion de liquide et de gaz du système en changeant la proportion de liquide et de gaz (variant le volume total du système) à température et pression constantes

23 G à température et pression constante
?

24 G à température et pression constante
Une des conditions d ’équilibre entre les phases est l ’égalité de l ’énergie spécifique des deux phases en présence, ceci permet de prédire de diagramme de phases: vaporisation solidification sublimation

25 Diagramme de phase solide liquide + liquide solide vapeur + liquide

26 Diagramme de phase dans le plan p(T)
pc Pc = mb liquide Courbe de fusion ou solidification Courbe de vaporisation ou condensation Pt = 6.11 mb solide Point triple vapeur gaz Courbe de sublimation ou condensation solide T Tt= 0,0098 ºC Tc= 373,84 ºC

27 Températures critiques Points triples
Il est impossible de condenser un gaz dont la température est supérieure à Tc. Les quantités pc, c, et Tc sont appelées constantes critiques. Les données pt, Tt sont appelées les données du point triple. Eau Air sec pc = mb c = m-3 kg-1 Tc = 647 K pt = 6,11 mb Tt = = 273,16 pc = mb c = m-3 kg-1 Tc = 132,3 K

28 Pression de vapeur saturante
La pression de vapeur saturante est la pression à laquelle une substance pure placée seule à une température donnée constante, est en équilibre avec sa vapeur. Dans le diagramme de phase p(T), la pression saturante du liquide sera la ligne d ’équilibre liquide - vapeur. De même la pression saturante du solide est donnée par la ligne d ’équilibre solide - vapeur

29 Chaleur latente ou de passage
Les changements de phase sont toujours accompagnées de changement de volume spécifique Il s ’en suit que pendant un changement de phase: 1) Le système réalise du travail 2) De la chaleur est absorbée ou libérée par le système

30 Chaleur latente ou de passage
La chaleur de passage dépend du type de changement de phase: 1) Chaleur latente de sublimation (ls) 2) Chaleur latente de fusion (lf) 3) Chaleur latente de vaporisation (lv)

31 Chaleur latente ou de passage
Chaleur latente L: la chaleur libérée ou absorbée pendant le changement de phase d ’une certaine quantité de masse m Chaleur latente spécifique: la chaleur libérée ou absorbée par unité de masse pendant un changement de phase

32 Chaleur latente ou de passage
Relation entre la chaleur latente de passage et d ’autres variables thermodynamiques: La variation d ’entropie suite au passage de la phase I à II

33 Chaleur latente ou de passage
Chaleur absorbée ou libérée par le système

34 Chaleur latente ou de passage
D ’autre part: La variation d ’entropie suite au passage de la phase I à II

35 Chaleur latente ou de passage
En intégrant entre I et II L ’équation Nous obtenons: Puisque p et T sont constantes.

36 Chaleur latente ou de passage
Et le lien entre les variables d ’état et la chaleur latente sont évidentes:

37 Chaleur latente ou de passage
Chaleur latente : la chaleur libérée ou absorbée pendant un changement de phase La chaleur latente du passage de la phase I à II peut être exprimée en termes de variation d ’entropie par:

38 Chaleur latente ou de passage et enthalpie
La chaleur latente est égale à la différence entre les enthalpies de deux phases du système.

39 Relation entre les diverses chaleurs latentes
À température constante, la chaleur de sublimation est égale à la somme de la chaleur de fusion et de la chaleur de vaporisation:

40 Chaleur latente ou de passage Valeurs pour l ’eau
Constantes ?

41 Chaleur latente ou de passage dépendance de la température
Où T est en ºC

42 Chaleur latente ou de passage variation avec la température
Et comme

43 Chaleur latente ou de passage variation avec la température
De la première loi appliquée à la glace:

44 Chaleur latente ou de passage variation avec la température
De façon analogue

45 Chaleur latente ou de passage variation avec la température
Lois de Kirchhoff

46 Équation de Clausius - Clapeyron
Établissons maintenant les courbes d ’équilibre entre les phases. Deux phases I et II d ’une substance sont en équilibre si:

47 Équation de Clausius - Clapeyron
(g+dg)II p+dp (T+dT,p+dp) (g)II (g+dg)I p (T,p) (g)I T T T+dT

48 Équation de Clausius - Clapeyron

49 Équation de Clausius - Clapeyron
ou Équation de Clausius Clapeyron

50 Équation de Clausius - Clapeyron vapeur saturée par rapport à un plan d ’eau pure
et Équation de Clausius Clapeyron : vapeur d ’eau

51 Équation de Clausius - Clapeyron Vapeur saturée par rapport à un plan de glace pure
Considérant lv constante, nous obtenons par intégration

52 Sursaturation e esw Liq. esw Vap. Sol. esi T A’ B’ Région d ’eau
en état surfondu Vap. Sol. Point triple A B esi T

53 Pause