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

5 État gazeux État liquide Désordre croissant État solide

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

7 État gazeux État liquide Fusion État solide

8 État gazeux État liquide Solidification État solide

9 État gazeux Vaporisation État liquide État solide

10 État gazeux Liquéfaction État liquide État solide

11 État gazeux État liquide Sublimation État solide

12 État gazeux État liquide Condensation État solide

13

14 2. Conditions d’un changement d’état

15 2.1. Changement d’état à pression constante

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

17 Changement d’état à pression constante

18 Changement d’état à pression constante
273 K t

19 Changement d’état à pression constante
273 K t

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

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

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

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

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

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

26 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

27 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

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

29 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

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

31 2.2. Changement d’état à température constante.

32 Changement d’état à température constante

33 Changement d’état à température constante

34 Changement d’état à température constante
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 PS.

37 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.

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

39 3.1. Équilibre liquide-gaz.

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

41 P T T

42 P T Point triple T

43 P C T Point triple T

44 P C Point critique T Point triple T

45 P C Point critique Hautes pressions T Point triple T

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

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

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

49 Exemple de l’eau pure P C T T

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

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

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

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

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

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

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

57 3.2. Équilibre solide – liquide.

58 Équilibre solide -liquide
P T T

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

60 3.3. Équilibre solide – gaz.

61 Équilibre solide -gaz P T Solide Gaz T

62 3.4. Synthèse.

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

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

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

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

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

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

69 Point triple : coexistence des trois états de la matière

70 Point critique : plus de différence liquide –gaz : fluide critique

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

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

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

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

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

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

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

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

79 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

80 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

81 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

82 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

83 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

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)
63,2 Diazote

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

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

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

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

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

92 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

93 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

94 4. Diagrammes (P, V).

95 Isothermes d’Andrews. P V

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

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

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

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

100 À température plus élevée.

101 P L V V

102 À la température critique, plus de plateau
V V

103 P Courbe d’ébullition. L V V

104 P Courbe de rosée L V V

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

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 pur TF (K) LF (kJ.kg-1)

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

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

112 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

113 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

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

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