Diagramme de phases de l'eau : analyse du point triple et du point critique
Comprendre les Diagrammes de Phases
Un diagramme de phases est une représentation graphique des conditions de pression et de température auxquelles les différentes phases d'une substance (solide, liquide, gaz) sont thermodynamiquement stables. Les lignes sur le diagramme, appelées courbes de coexistence, indiquent les conditions où deux phases peuvent exister en équilibre. Deux points sont particulièrement importants : le point triple, où les trois phases coexistent, et le point critique, au-delà duquel la distinction entre les phases liquide et gazeuse disparaît. L'analyse de ce diagramme permet de prédire le comportement d'une substance lorsqu'on modifie sa température ou sa pression.
Données de l'étude
Diagramme de Phase de l'Eau (schématique)
- Point Triple : \(P_{tr} = 611.7 \, \text{Pa}\) ; \(T_{tr} = 0.01 \, ^\circ\text{C}\) (soit 273.16 K)
- Point Critique : \(P_c = 22.06 \, \text{MPa}\) (soit \(2.206 \times 10^7\) Pa) ; \(T_c = 374 \, ^\circ\text{C}\) (soit 647.15 K)
Questions à traiter
- Décrire la (ou les) transition(s) de phase subie(s) par un échantillon de glace à une pression constante de 500 Pa lorsqu'on le chauffe de -10°C à +10°C.
- Décrire la (ou les) transition(s) de phase subie(s) par un échantillon de vapeur d'eau à une température constante de 150°C lorsqu'on augmente la pression de 10 kPa à 1 MPa.
- Quelle est la signification physique du point triple ? Quelles sont les phases en équilibre à ce point ?
- Quelle est la signification physique du point critique ? Que se passe-t-il si l'on chauffe un échantillon d'eau liquide à une pression de 30 MPa ?
Correction : Diagramme de phases de l'eau : analyse du point triple et du point critique
Question 1 : Chauffage à 500 Pa
Analyse :
On trace une ligne horizontale sur le diagramme à une pression de 500 Pa. Cette pression est inférieure à la pression du point triple (\(P_{tr} = 611.7\) Pa). On suit ensuite cette ligne en augmentant la température de -10°C à +10°C.
Le chemin sur le diagramme part de la zone "SOLIDE" et, en traversant la courbe de sublimation, passe directement dans la zone "GAZ" sans jamais passer par la phase liquide.
Question 2 : Compression à 150°C
Analyse :
On trace une ligne verticale sur le diagramme à une température de 150°C. Cette température est comprise entre celle du point triple (\(T_{tr} \approx 0.01^\circ\text{C}\)) et celle du point critique (\(T_c \approx 374^\circ\text{C}\)). On suit cette ligne en augmentant la pression.
Le chemin part de la zone "GAZ" (à 10 kPa). En augmentant la pression, on traverse la courbe de vaporisation pour entrer dans la zone "LIQUIDE".
Question 3 : Signification du point triple
Analyse :
Le point triple est un point unique sur le diagramme de phase, défini par un couple précis de température et de pression. À ce point, les trois phases de la substance — solide, liquide et gazeuse — peuvent coexister en équilibre thermodynamique. Toute la chaleur ajoutée ou retirée ne change pas la température ni la pression tant que les trois phases sont présentes ; elle ne fait que changer les proportions relatives des phases.
Question 4 : Signification du point critique
Analyse :
Le point critique représente la fin de la courbe de vaporisation. Au-delà de cette température et de cette pression, les phases liquide et gazeuse deviennent indiscernables. Il n'y a plus de transition de phase nette (plus de ménisque visible, plus de chaleur latente d'ébullition). La substance existe alors dans un état appelé fluide supercritique.
Si l'on chauffe un échantillon d'eau à une pression de 30 MPa (qui est supérieure à la pression critique \(P_c \approx 22.1\) MPa), le chemin sur le diagramme ne croise jamais la courbe de vaporisation. Le fluide passera de l'état "semblable à un liquide" à l'état "semblable à un gaz" de manière continue, sans ébullition.
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. La pente négative de la courbe de fusion de l'eau indique que...
2. Un fluide supercritique est un état de la matière qui existe...
3. Combien de variables indépendantes (degré de liberté) peut-on fixer tout en maintenant les trois phases de l'eau en équilibre ?
Glossaire
- Diagramme de Phase
- Représentation graphique (généralement Pression vs Température) montrant les domaines de stabilité des différentes phases d'une substance.
- Phase
- État de la matière qui est homogène en composition chimique et en état physique (solide, liquide, gaz).
- Point Triple
- Point unique défini par un couple de température et de pression où les trois phases (solide, liquide, gaz) d'une substance coexistent en équilibre thermodynamique.
- Point Critique
- Point défini par une température et une pression critiques, au-delà desquelles les phases liquide et gazeuse deviennent indiscernables. La substance existe alors sous forme de fluide supercritique.
- Fluide Supercritique
- État de la matière d'une substance à une température et une pression supérieures à son point critique, où elle n'est ni liquide ni gazeuse mais possède des propriétés des deux.
- Sublimation
- Transition de phase directe de l'état solide à l'état gazeux, sans passer par l'état liquide.
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