Thermodynamique appliquée aux changements d’état du corps pur.

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1 Thermodynamique appliquée aux changements d’état du corps pur

2 1. Les états de la matière.

3 État gazeux État liquide État solide

4 Distance intermoléculaire croissante État gazeux État liquide État solide

5 Désordre croissant État gazeux État liquide État solide

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

7 Fusion État gazeux État liquide État solide

8 Solidification État gazeux État liquide État solide

9 Vaporisation État gazeux État liquide État solide

10 Liquéfaction État gazeux État liquide État solide

11 Sublimation État gazeux État liquide État solide

12 Condensation État gazeux État liquide État solide

13

14 2. Conditions d’un changement d’état

15 2.1. Changement d’état à pression constante

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

17 T t Changement d’état à pression constante

18 T t 273 K Changement d’état à pression constante

19 T t 273 K Changement d’état à pression constante

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

31 2.2. Changement d’état à température constante.

32

33 Changement d’état à température constante

34 L’eau se vaporise

35 Changement d’état à température constante

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

37 A P = P S, équilibre entre deux phases.

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

39 3.1. Équilibre liquide-gaz.

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

41 T P T

42 T Point triple P T

43 T C P T

44 T C Point critique P T

45 Hautes pressions T Point triple C Point critique P T

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

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

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

49 Exemple de l’eau pure T C P T

50 T C P T 273,16 K

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

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

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

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

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

56 Lois empiriques pour l’eau : Modèle de Duperray : Modèle de Dupré – Bertrand :

57 3.2. Équilibre solide – liquide.

58 Équilibre solide -liquide T P T

59 T P T Peu d’influence de la pression Solide Liquide

60 3.3. Équilibre solide – gaz.

61 Équilibre solide -gaz T P T Solide Gaz

62 3.4. Synthèse.

63 Synthèse : diagramme des phases T P T Solide C Gaz Liquide

64 Cas particulier de l’eau T P T Solide C Gaz Liquide

65 Cas particulier de l’eau T P T Solide C Gaz Liquide

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

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

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

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

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

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

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

73 5,24 Hélium Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar)

74 2,2615,24 Hélium Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar)

75 Diazote 2,2615,24 Hélium Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar)

76 162,2 Diazote 2,2615,24 Hélium Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar)

77 12,8162,2 Diazote 2,2615,24 Hélium Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar)

78 Dioxyde de carbone 12,8162,2 Diazote 2,2615,24 Hélium Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar)

79 304,1 Dioxyde de carbone 12,8162,2 Diazote 2,2615,24 Hélium Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar)

80 72,947 304,1 Dioxyde de carbone 12,8162,2 Diazote 2,2615,24 Hélium Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar)

81 72,947 Eau 304,1 Dioxyde de carbone 12,8162,2 Diazote 2,2615,24 Hélium Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar)

82 647,2 72,947 Eau 304,1 Dioxyde de carbone 12,8162,2 Diazote 2,2615,24 Hélium Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar)

83 218647,2 72,947 Eau 304,1 Dioxyde de carbone 12,8162,2 Diazote 2,2615,24 Hélium Ordres de grandeur Corps Température critique (K) Pression critique (bar)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

94 4. Diagrammes (P, V).

95 Isothermes d’Andrews. P V

96 P V 100% liquide L

97 Isothermes d’Andrews. P V 100% liquide LL

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

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

100 À température plus élevée. P V L V

101 P V L V

102 À la température critique, plus de plateau P V L V

103 P V L V Courbe d’ébullition.

104 P V L V Courbe de rosée

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

106 Synthèse : diagramme (P, V, T).

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

108 5.1. Enthalpie.

109 Exemples de chaleurs latentes de fusion Corps purT F (K)L F (kJ.kg -1 )

110 Exemples de chaleurs latentes de fusion Corps purT F (K)L F (kJ.kg -1 ) Eau (H 2 O) 273334

111 Exemples de chaleurs latentes de fusion Corps purT F (K)L F (kJ.kg -1 ) Eau (H 2 O) 273334 Méthane (CH 4 )90,758,4

112 Exemples de chaleurs latentes de fusion Corps purT F (K)L F (kJ.kg -1 ) Eau (H 2 O) 273334 Méthane (CH 4 )90,758,4 Ethanol (C 2 H 6 O)109 156

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

114 Evolution : donnée par la formule de Clapeyron :

115 5.2. Énergie interne.

116 5.3. Entropie.

117 6. Autres diagrammes.

118 Le diagramme (T,S)

119 Le diagramme (h, s) de Mollier