Thermodynamique appliquée aux changements d’état du corps pur

1. Les états de la matière.

État gazeux État liquide État solide

État gazeux État liquide État solide Distance intermoléculaire croissante État liquide État solide

État gazeux État liquide Désordre croissant État solide

État gazeux État liquide État solide Énergie de liaison intermoléculaire croissante État liquide État solide

État gazeux État liquide Fusion État solide

État gazeux État liquide Solidification État solide

État gazeux Vaporisation État liquide État solide

État gazeux Liquéfaction État liquide État solide

État gazeux État liquide Sublimation État solide

État gazeux État liquide Condensation État solide

2. Conditions d’un changement d’état

2.1. Changement d’état à pression constante

T t Changement d’état à pression constante Courbe de chauffage de l’eau sous pression atmosphérique t

Changement d’état à pression constante

Changement d’état à pression constante 273 K t

Changement d’état à pression constante 273 K t

Changement d’état à pression constante Plateau de fusion 273 K t

T t Changement d’état à pression constante 273 K 100% solide 0% liquide Plateau de fusion 273 K t

T t Changement d’état à pression constante 273 K 100% solide 0% liquide 0% solide 100% liquide Plateau de fusion 273 K t

Changement d’état à pression constante Plateau de fusion 273 K t

T t Changement d’état à pression constante 373 K 273 K Plateau de fusion 273 K t

T t Changement d’état à pression constante 373 K 273 K Plateau de vaporisation 373 K Plateau de fusion 273 K t

T t Changement d’état à pression constante 373 K 273 K Plateau de vaporisation 373 K Plateau de fusion 273 K 100% liquide 0% gaz t

T t Changement d’état à pression constante 373 K 273 K Plateau de vaporisation 373 K Plateau de fusion 273 K 100% liquide 0% gaz 0% liquide 100% gaz t

T t Changement d’état à pression constante 373 K 273 K Plateau de vaporisation 373 K Plateau de fusion 273 K t

T t Changement d’état à pression constante Température de vaporisation Plateau de vaporisation 373 K Plateau de fusion 273 K Température de fusion t

À pression fixée un corps pur change d’état à température constante.

2.2. Changement d’état à température constante.

Changement d’état à température constante

Changement d’état à température constante

Changement d’état à température constante L’eau se vaporise

Changement d’état à température constante

À température donnée un corps pur change d’état pour une valeur de pression fixée : la pression de vapeur saturante PS.

À température donnée un corps pur change d’état pour une valeur de pression fixée : la pression de vapeur saturante PS. A P = PS, équilibre entre deux phases.

3. Représentation des équilibres entre phases en coordonnées (P, T).

3.1. Équilibre liquide-gaz.

P Pression de vapeur saturante en fonction de la température. T

P T T

P T Point triple T

P C T Point triple T

P C Point critique T Point triple T

P C Point critique Hautes pressions T Point triple T

P C Point critique Hautes pressions Liquide T Point triple T

P C Liquide T T Point critique Hautes pressions Basses pressions Point triple T

P C Liquide Gaz T T Point critique Hautes pressions Basses pressions Point triple T

Exemple de l’eau pure P C T T

Exemple de l’eau pure P C T 273,16 K T

Exemple de l’eau pure P C T 611 Pa 273,16 K T

Exemple de l’eau pure P C T 611 Pa 273,16 K 647,2 K T

Exemple de l’eau pure P C 21,8 MPa T 611 Pa 273,16 K 647,2 K T

Exemple de l’eau pure P C 21,8 MPa T 611 Pa 273,16 K 373,15 K 647,2 K T

Exemple de l’eau pure P C 21,8 MPa 101300 Pa T 611 Pa 273,16 K 373,15 K 647,2 K T

Il existe des lois empiriques pour la courbe d’ébullition de l’eau : Exemple : le modèle de Duperray : 𝑃 𝑆 =1,013. 𝜃 100 4 PS en bar, q en °C.

3.2. Équilibre solide – liquide.

Équilibre solide -liquide P T T

Équilibre solide -liquide P Solide Liquide T T Peu d’influence de la pression

3.3. Équilibre solide – gaz.

Équilibre solide -gaz P T Solide Gaz T

3.4. Synthèse.

Synthèse : diagramme des phases C Liquide Solide Gaz T T

Cas particulier de l’eau Liquide Solide Gaz T T

Cas particulier de l’eau Liquide Solide Gaz T T

Comment changer d’état ? P C Liquide Etat initial Solide Gaz T T

Comment changer d’état ? P C Liquide Etat initial Augmenter la température Solide Gaz T T

Comment changer d’état ? P C Liquide Etat initial Augmenter la température Solide Gaz T Diminuer la pression T

Point triple : coexistence des trois états de la matière http://www.youtube.com/watch?v=BLRqpJN9zeA

Point critique : plus de différence liquide –gaz : fluide critique http://www.youtube.com/watch?v=CgFrAOe4ZgI

Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar)

Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar) Hélium

Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar) Hélium 5,24

Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar) Hélium 5,24 2,261

Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar) Hélium 5,24 2,261 Diazote

Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar) Hélium 5,24 2,261 Diazote 162,2

Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar) Hélium 5,24 2,261 Diazote 162,2 12,8

Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar) Hélium 5,24 2,261 Diazote 162,2 12,8 Dioxyde de carbone

Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar) Hélium 5,24 2,261 Diazote 162,2 12,8 Dioxyde de carbone 304,1

Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar) Hélium 5,24 2,261 Diazote 162,2 12,8 Dioxyde de carbone 304,1 72,947

Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar) Hélium 5,24 2,261 Diazote 162,2 12,8 Dioxyde de carbone 304,1 72,947 Eau

Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar) Hélium 5,24 2,261 Diazote 162,2 12,8 Dioxyde de carbone 304,1 72,947 647,2 Eau

Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar) Hélium 5,24 2,261 Diazote 162,2 12,8 Dioxyde de carbone 304,1 72,947 647,2 218 Eau

Ordres de grandeur Corps Température triple (K) Pression triple (bar)

Ordres de grandeur Corps Température triple (K) Pression triple (bar) Diazote

Ordres de grandeur Corps Température triple (K) Pression triple (bar) 63,2 Diazote

Ordres de grandeur Corps Température triple (K) Pression triple (bar) 63,2 0,125 Diazote

Ordres de grandeur Corps Température triple (K) Pression triple (bar) 63,2 0,125 Diazote Dioxyde de carbone

Ordres de grandeur Corps Température triple (K) Pression triple (bar) 63,2 0,125 Diazote Dioxyde de carbone 216,6

Ordres de grandeur Corps Température triple (K) Pression triple (bar) 63,2 0,125 Diazote Dioxyde de carbone 216,6 5,1

Ordres de grandeur Corps Température triple (K) Pression triple (bar) 63,2 0,125 Diazote Dioxyde de carbone 216,6 5,1 Eau

Ordres de grandeur Corps Température triple (K) Pression triple (bar) 63,2 0,125 Diazote Dioxyde de carbone 216,6 5,1 Eau 273,16

Ordres de grandeur Corps Température triple (K) Pression triple (bar) 63,2 0,125 Diazote Dioxyde de carbone 216,6 5,1 Eau 273,16 610.10-5

4. Diagrammes (P, V).

Isothermes d’Andrews. P V

Isothermes d’Andrews. P 100% liquide L V

Isothermes d’Andrews. P 100% liquide L L V

Isothermes d’Andrews. P 100% gaz L V V

Isothermes d’Andrews. P Liquide + gaz L V V

À température plus élevée.

P L V V

À la température critique, plus de plateau V V

P Courbe d’ébullition. L V V

P Courbe de rosée L V V

A la température critique, plus de plateau Fluide critique. C Liquide Gaz Liquide + gaz V

Synthèse : diagramme (P, V, T).

5. Évolution des fonctions d’état lors des transitions de phase.

5.1. Enthalpie.

Exemples de chaleurs latentes de fusion Corps pur TF (K) LF (kJ.kg-1)

Exemples de chaleurs latentes de fusion Corps pur TF (K) LF (kJ.kg-1) Eau (H2O) 273 334

Exemples de chaleurs latentes de fusion Corps pur TF (K) LF (kJ.kg-1) Eau (H2O) 273 334 Méthane (CH4) 90,7 58,4

Exemples de chaleurs latentes de fusion Corps pur TF (K) LF (kJ.kg-1) Eau (H2O) 273 334 Méthane (CH4) 90,7 58,4 Ethanol (C2H6O) 156 109

Pour la vaporisation de l’eau : L varie avec T LV Pour la vaporisation de l’eau : 2500 kJ.kg-1 647,2 K T

Évolution : donnée par la formule de Clapeyron : 𝐿=𝑇.∆𝑉. 𝑑𝑃 𝑑𝑇

5.2. Énergie interne.

5.3. Entropie.

6. Autres diagrammes.

Le diagramme (T,S)

Le diagramme (h, s) de Mollier