Les Bases de la Thermodynamique : les principes fondamentaux et leurs applications directes.

Changement de phases liquide-vapeur et diagramme de Clapeyron

On enferme un fluide pur dans un cylindre fermé par un piston mobile, ce qui permet d'imposer le volume ou la pression. On fixe la température en immergeant le cylindre dans une source de chaleur à température constante, et après chaque déplacement du piston on attend que le système se mette à l'équilibre à la température .

On choisit un état de départ à basse pression dans lequel le fluide est à l'état gazeux, et on diminue progressivement le volume en descendant le piston. Pour chaque position du piston, on enregistre la pression appliquée au fluide (qui est aussi la pression du fluide) (voir l'illustration).

Une isotherme sur le diagramme de Clapeyron.InformationsInformations[1]
Une isotherme sur le diagramme de Clapeyron.InformationsInformations[2]
  • dans une première étape, la pression augmente régulièrement pendant que le volume décroît ;

  • lorsqu'on atteint la pression d'équilibre liquide-vapeur à la température (pression de saturation), la vapeur commence à se liquéfier ; le volume diminue au fur et à mesure que la vapeur se transforme en liquide, mais la pression reste constante tant que les deux phases coexistent. Pour maintenir la température constante, il faut évacuer de la chaleur vers l'extérieur ;

  • lorsque toute la vapeur a été transformée en liquide, une petite diminution de volume nécessite une forte augmentation de pression : le liquide est très peu compressible.

Ces transformations peuvent être représentées par une courbe isotherme dans le diagramme de Clapeyron (volume molaire en abscisse, pression en ordonnée). Cette courbe présente un palier qui correspond au changement de phase. La transformation est réversible, la courbe isotherme peut être parcourue dans le sens des volumes croissants ou décroissants.

Diagramme de Clapeyron de l'eau.InformationsInformations[3]
Diagramme de Clapeyron de l'eau.InformationsInformations[4]

Si on trace sur le même diagramme les courbes isothermes obtenues pour des températures différentes (voir le Diagramme) et si on retient les points de démarrage et fin de changement de phase, on obtient deux courbes appelées :

  • courbe de rosée[5] : elle correspond à l'apparition de la première goutte de liquide dans un gaz que l'on comprime ;

  • courbe de bulle[6] (ou d'ébullition) : elle correspond à l'apparition de la première bulle de vapeur dans un liquide que l'on détend à température constante.

La réunion des deux s'appelle courbe de saturation. Il existe un point singulier, C, appelé point critique[7]. C'est le point de concours des deux courbes de bulle[6] et de rosée[5]. Le point critique[7] correspond à un état dans lequel le liquide et la vapeur sont absolument identiques. En fait, il y a continuité entre les états liquide et vapeur. La température critique[7] est la plus haute température à laquelle il puisse y avoir un équilibre liquide vapeur : le point critique[7] est donc aussi l'extrémité "haute" de la courbe de coexistence liquide-vapeur dans le digramme de phases (voir le Diagramme de phases de l'eau[8]).

Au-dessus de la température critique[7], on ne distingue plus formellement le liquide du gaz, même si à basse pression le fluide a les propriétés d'un gaz, et plutôt les propriétés d'un liquide à haute pression : il n'y a d'ailleurs pas de frontière nette entre les domaines liquide et vapeur.

  1. Jacques Schwartzentruber Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l'Identique

  2. Jacques Schwartzentruber Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l'Identique

  3. Jacques Schwartzentruber Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l'Identique

  4. Jacques Schwartzentruber Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l'Identique

  5. rosée (température ou pression de)

    condition dans laquelle la première goutte de liquide apparaît dans un mélange vapeur

  6. bulle (température ou pression de)

    condition dans laquelle la première bulle de vapeur apparaît dans un mélange liquide

  7. critique (point)

    condition de température et de pression dans laquelle un liquide et une vapeur deviennent identiques. Un mélange de composition définie (et donc un corps pur) a un point critique unique, caractérisé par une température et une pression critiques

  8. Diagramme de phases de l'eau
    Diagramme de phases de l'eau.[Zoom...]InformationsInformations[9]
  9. Jacques Schwartzentruber Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l'Identique

Jacques Schwartzentruber (EMAC) Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l'IdentiqueRéalisé avec Scenari (nouvelle fenêtre)