8 COURS DE thermodynamique (Module En 21) 22/09/2018

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Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

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8 Chapitre huit Transitions de phases de corps purs 8.1 Introduction 8.2 Transitions de phase 8.3 Conditions d’équilibre d’un corps pur sous plusieurs phases 8.4 Etude thermodynamique 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 8.1 Introduction Etats, phases, changement d’état La matière existe sous différents états : solide, liquide, gaz. Nous savons également qu'il est possible de transformer l'état d'un corps. On parle indifféremment de transition de phase ou de changement d’état pour l’évolution conduisant tout ou partie d’un système à évoluer d’une phase à une autre : Transformation solide - liquide : fusion Transformation liquide – gaz : vaporisation Transformation solide – gaz : sublimation 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Ces transformations ou changement de phase nécessitent un apport de chaleur. Solide Sublimation Gaz vaporisation Liquide Fusion 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Les transformations inverses sont Transformation liquide - solide : Solidification Transformation gaz – liquide : Liquéfaction Transformation gaz – solide : Condensation 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Ces transformations ou changement de phase cèdent de la chaleur vers le milieu extérieur. Solide Condensation Gaz Liquéfaction Liquide Solidification 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Ces différents états constituent des phases de la matière. Les différents états peuvent coexister. C'est par exemple le cas de la glace fondante (coexistence liquide-solide). 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Un corps pur est un constituant unique caractérisé par une seule formule chimique. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Le corps pur peut être : Simple : la molécule est alors composé d’un seul atome : soufre, fer, cuivre, dioxygène…. Composé : la molécule est alors composé de plusieurs atomes, molécule d’eau, de dioxyde de carbone... 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Un système comportant une seule phase est appelé monophasé ou monophasique. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Un système comportant deux phases est appelé diphasé ou diphasique. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 L’état d’équilibre d’un corps pur est déterminé par ses coordonnées thermodynamiques (p, V, T); l’ensemble des états d’équilibre forme alors une surface. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Deux grandeurs intensives, par exemple T et p, suffisent pour caractériser l’état d’équilibre d’un système monophasé car la troisième grandeur est donnée par l’équation d’´etat. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 8.2 Transitions de phase Un diagramme de transition de phase permet de représenter les conditions thermodynamiques dans lesquelles sont présentes les différentes phases d'un corps. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Ce diagramme permet de distinguer les différentes phases d’un corps pur. Les lignes qui séparent les phases sont appelées lignes de transitions de phase ou de changements d'état. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Le point d'intersection T de ces trois lignes est appelé point triple. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Le point C est appelé point critique. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Dans la majorité des cas, la pente de ces lignes est positive, l'eau a un comportement particulier, la pente de la ligne liquide-solide est négative. Chaque point du diagramme d'état renseigne sur la phase stable, donc sur la nature de l'état d'équilibre naturel du corps pur, pour les valeurs de T et P considérées. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

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8 Point triple P Fluide supercritique C Pc SOLIDE LIQUIDE Point critique T gaz Pt Tt Tc T Diagramme de phase d’un corps pur 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Point triple P fusion Fluide supercritique Solidification C Pc SOLIDE LIQUIDE Point critique vaporisation T gaz Pt Liquéfaction sublimation Condensation Tt Tc T Diagramme de phase d’un corps pur 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Grandeur→ T(K) P (mm Hg) T(K ) P (atm) Corps pur ↓ Point triple Point critique Eau 273,16 4,6 647,5 218,5 Oxygène 54,4 1,1 154,6 49,8 N2 63,2 94,0 126,2 33,5 H2 13,9 53,9 33,2 12,8 He 5,2 2,3 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 8.3 Conditions d’équilibre d’un corps pur sous plusieurs phases Considérons un point M de volume molaire V sur un palier de la transition liquide-vapeur, Soient A et B les extrémités du palier donnant respectivement VL et Vv, volumes molaires de chaque phase. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Si XL et Xv sont respectivement les fractions molaires à l'état liquide et vapeur, nous pouvons écrire que : 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 XL + XV = 1 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Où nL et nV représentent respectivement le nombre de moles liquide et le nombre de moles vapeur. nT étant le nombre de moles total. On peut donc écrire si VL et VV représentent respectivement le volume molaire du liquide et du gaz : XL V + XV V = V V représente le volume total des deux phases, liquide et vapeur. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Définition de la chaleur latente de changement de phase d’un corps pur Lorsqu’on refroidit un gaz, sa température diminue et si on trace la température du gaz en fonction du temps, on peut constater qu’à un certain moment la température ne varie pas malgré le refroidissement et le gaz change à ce moment d’état, sa température et sa pression n’évoluent plus : c’est le palier de changement d’état. Palier de changement d’état Température et pression constantes Température Temps Refroidissement du gaz Refroidissement du liquide 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Lors d’un changement de phase la température et la pression ne varient pas pour un corps pur sous deux phases quelque soit la proportion (massique ou volumique) des deux phases. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 La variation de l'enthalpie et l’utilisation du premier principe de la thermodynamique pour le changement de phases permet d'écrire : et Avec On en déduit que : 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Définition: On appelle chaleur latente (massique ou molaire) de changement d’état L d’un corps pur à la température T la variation d’enthalpie (de l’unité de masse ou d’une mole) Δ H de ce corps passant d’un état (solide, liquide ou gazeux) à un autre état. Les chaleurs latentes sont symboliquement notées L ou Δ H. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Chaleurs latentes transition signe De fusion : Δ Hf ou Lfus Solide → liquide positif De vaporisation : Δ HV ou LVap Liquide → gaz De sublimation : Δ HS ou LSub Solide → gaz 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Ces chaleurs de changements d’état sont positives, il faut donc fournir au système thermodynamique de la chaleur pour faire fondre, vaporiser ou sublimer un corps. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Chaleurs latentes De solidification: Δ Hs ou Lsol
transition signe De solidification: Δ Hs ou Lsol Solide ← liquide négatif De liquéfaction : Δ Hl ou Lliq Liquide ← gaz De condensation : Δ Hc ou Lcond Solide ← gaz 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Ces chaleurs de changements d’état sont négatives et opposées aux chaleurs de la transformation inverse correspondante. Le système fournit donc à l’extérieur de la chaleur pour solidifier, liquéfier ou condenser un corps. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Solide → liquide → gaz → Solide La somme des chaleurs latentes de changement d’état est égale à zéro car ΔHcycle = 0. On en déduit que : LSub = Lfus + LVap 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 2.1. Définition du titre. Règle du levier. L'étude sera menée à partir de l'équilibre liquide-vapeur. Les résultats sont généralisables aux équilibres solide-liquide et solide-gaz en dehors du point critique C. Courbe de rosée Courbe d’ébullition C point critique A1 A A2 V P VL VV 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 On appelle x le titre de vapeur saturante défini comme étant la proportion en masse de vapeur dans le mélange liquide-vapeur. 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 2.2. Relations de Clapeyron La chaleur latente de changement d’état est donnée par la relation de Clapeyron : 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

RELATIONS DE CLAPEYRON
8 RELATIONS DE CLAPEYRON fusion : Solide → liquide sublimation : Solide → gaz vaporisation : Liquide → gaz 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

8 Fin de la leçon 8 22/09/2018 Cours de thermodynamique M.Bouguechal En 21

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