Quelques questions sur le changement d`état liquide

QUESTIONS SUR LE CHANGEMENT
D’ÉTAT LIQUIDE GAZ POUR L’EAU
1) Si on chauffe uniformément à 800 C un récipient fermé plein d’eau, est-ce
qu’une partie de l’eau se change en gaz (comme dans le fond de la casserole à
l’air libre)
2) À température ambiante pour une hygrométrie de 60% à une pression
moyenne donnée, sait-on sur 100 molécules combien il y a de molécules d’azote,
d’oxygène et d’eau ?
3) Est-ce que (pour une pression donnée) : de même qu’on peut dire qu’audessus d’une certaine température (nommée 1000)l’eau ne peut plus être liquide,
on peut dire qu’au-dessus d’une certaine température (nommée 00)l’eau ne peut
plus être solide ? Autrement dit, est-ce que ces deux changements d’état fonctionnent pareil ?
4) liée à la 3)Est-ce que ce sont les mêmes liaisons (peut-être avec des intensités
différentes ? ? ?) ou des liaisons différentes qui lient les molécules de l’état liquide
et de l’état solide ? Autrement dit, est-ce que ce sont certains types de liaisons
qui sont cassées lors du passage solide-liquide et du passage liquide-gazeux ?
RÉPONSES
C’est génial de passer très longtemps à regarder une casserole d’eau bouillante
et de voir que le niveau baisse. Ce n’est pas du temps de perdu, ils s’en souviendront.
Question 1- Si tu chauffes uniformément à 800C un récipient fermé plein
d’eau, il ne se passe rien ; en effet, quand il se forme des bulles de vapeur au fond
du récipient quand il est à 800, en fait, la température n’est pas homogène ; elle
est de 1000 au fond, là où se forment les bulles. Les bulles commencent à monter et disparaissent aussitôt par liquéfaction de la vapeur là où la température
ets inférieure à 1000, et la disparition brutale de ces bulles provoque de petits
claquements qui font que l’eau chante.
Si tu chauffe au dessus de 1000 un récipient d’eau fermé, il se forme des petites
bulles de vapeur, mais comme le volume ne peut pas augmenter, la pression
monte tout de suite, ce qui fait que la production de vapeur cesse aussitôt, la
température d’ébullition de l’eau dépendant de la pression. Si on continue à
chauffer, la pression va tellement augmenter que le récipient va exploser.
1
N
Question 2- P V = N
RT : P pression ; V volume ; N nombre de molé23
cules ; N = 6.02 10 ; R constante des gaz parfaits ; T = t + 273 température
absoolue. À V et T constants, la pression d’un gaz est donc proportionnelle au
nombre de molécules. La pression d’un gaz dans un mélange est dite pression
partielle, et est comptée comme s’il était seul.
t = 200 60% d’humidité ⇒
23.4 hPa = 14 hPa.
PN2 +O2 = 1013 − 14 = 999
pvapeur d’eau = 0.6 × peau saturante = 0.6 ×
4
pN2 = 999 = 799.2
5
Ramenons à 100 en multipilant par
14 × 100
= 1 molécule d’eau
1013
et 79 molécules de N2.
100
1013
1
pO2 = 999 = 199.8
5
; donc, 100 molécules donnent :
199.8 × 100
= 20 molécules de O2
1013
Question 3- Oui, c’est exact ; cependant les deux changements d’état ne
fonctionnent pas tout à fait pareil.
a) En effet, la température de fusion de la glace ne dépend pratiquement pas
de la pression, alors que la température d’ébullition de l’eau dépend beaucoup
de la pression. Cela est dû au fait que le volume varie très peu quand on passe
de la glace à l’eau, et beaucoup quand on passe de l’eau à la vapeur.
b) Il n’y a pas de retard à la fusion de la glace, car tout morceau de glace,
même à une température très négative, est recouvert d’une pellicule d’eau liquide, et c’est à cause de cela que la glace et la neige glissent. Par contre il
peut y avoir un retard à l’ébullition pour l’eau liquide, qui peut être à 1100 par
exemple sans bouillir ; mais le moindre choc déclenche une ébullition explosive.
C’est pour cela qu’il est très dangereux de faire chauffer un verre ou un bol
d’eau au four à micro-onde, car on peut prendre un bol d’eau calme à 1100, et
l’eau explose à la figure quand on la prend. On peut être défiguré. Ce retard
à l’ébullition est utilisé au CERN avec du propane liquide. Au passage d’une
particule chargée, il se produit une ligne de petites bulles de vapeur qui marque
la trajectoire de la particule. Ce problème ne se pose pas avec l’eau chauffée
classiquement, car, comme elle n’est pas chauffée d’une manière homogène, il se
produit des courants de convection qui agitent l’eau et empêchent le retard à
l’ébullition de se produire.
c) Au delà de 3740 pour l’eau, le liquide ne peut plus exister. En effet, quand
on chauffe dans un récipient clos de l’eau avec sa vapeur, quand la température
2
augmente, à cause de la dilatation, les molécules du liquide s’éloignent les unes
des autres, tandis que, à cause de l’augmentation de la pression, les molécules de
la vapeur se rapprochent. À 3740 pour l’eau, les molécules sont à la même distance dans le liquide et la vapeur qui sont indistinguables, et qui ont la propritété
d’un gaz très comprimé.
d) D’autre part, quand la pression est inférieure à 1013 hPa, l’eau bout à
une température inférieure à 1000. Si la pression est suffisamment basse, l’eau
peut bouillir à 00. C’est la pression du point triple. Pour une pression plus basse,
l’eau liquide ne peut pas exister, car pour l’obtenir, il faudrait faire fondre un
glaçon, mais l’eau produite à 00 bout aussitôt.
La pression sur Mars est exactement celle du point triple de l’eau : en effet ,;,
si elle est inférieure, l’eau liquide n’existe pas, et le CO2 qui se dégage des roches
fait lentement monter la pression. Si la pression est supérieure à celle du point
triple, le CO2 se dissout dans l’eau liquide pour former des carbonates, et la
pression diminue !
Question 4- Ce sont le mêmes liaisons !
Cela pose effectivement un problème : comment la même liaison peut se casser
deux fois de deux manières différentes ! En fait, elle ne se casse qu’un fois, quand
on passe du solide au liquide ou du solide au gaz. Mais même une fois que les
molécules se sont éloignées, elles s’attirent encore, et cette attraction qui tend
à les rapprocher, joue le rôle, dans le modèle de Van der Waals qui mène à
l’équation du même nom, d’une espèce de pression supplémentaire qui s’ajoute
à la pression usuelle et qui est d’autant plus forte que les molécules sont près les
unes des autres et s’attirent !
Si la pression est faible, cette pression supplémentaire n’est pas suffisante pour
agir, et quand les molécules du solide se décrochent, elle deviennent directement
les molécules d’un gaz. Mettons maintenant dans un bocal clos, sous forme de
gaz, de l’eau par exemple. La pression peut être telle, que ajoutée à la pression
fictive due à l’attraction des molécules, les molécules viennent se rassembler en
un gaz très comprimé qui est en fait un liquide. Mais ceci se produisant, il y a
alors très peu de molécules dans ce qui reste du vrai gaz ; là, les molécules sont
très loin les unes des autres, et la pression fictive disparaît. On a le liquide en
coexistence avec le gaz. En réalité, on a à un endroit un gaz trè comprimé sous
forte pression : le liquide ! Et à un autre endroit un gaz sous faible pression le
gaz ! Mais comment se fait-il que la pression ne soit pas la même partout ! En
réalité elle l’est, mais dans la partie gaz très comprimé : le liquide, il faut ajouter
la pression due à l’attaction des molécules qui là est élevée, puisque les molécules
sont proches !
3
Si la température est trop élevée, pour avoir le liquide, il faut alors une pression
tellement élevée que la pression due à l’attaction des molécules ne joue aucun
rôle, elle devient négligeable ! Il n’y a alors plus de distinction entre le liquide
et le gaz, puisque la pression fictive due à l’attaction des molécules qui pouvait
faire cette distincion, devient négligeable devant la pression réelle.
4
Table de pression maximale de la vapeur d'eau en dixièmes
d'hectoPascals
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
40
738
39
699
703
707
711
715
719
722
726
730
734
38
663
666
670
674
677
681
685
688
692
696
37
628
631
635
638
642
645
649
652
656
659
36
594
597
601
604
607
611
614
617
621
624
35
562
565
569
572
575
578
581
584
588
591
34
532
535
538
541
544
547
550
553
556
559
33
503
506
508
511
514
517
520
523
526
529
32
476
478
481
484
487
489
492
495
497
500
31
449
452
454
457
460
462
465
467
470
473
30
424
426
429
431
434
436
439
441
444
447
29
401
403
405
408
410
412
415
417
419
422
28
378
380
382
385
387
389
391
394
396
398
27
357
359
361
363
365
367
369
371
374
376
26
336
338
340
342
344
346
348
350
352
354
25
317
319
321
323
324
326
328
330
332
334
24
298
300
302
304
306
307
309
311
313
315
23
281
282
284
286
288
289
291
293
295
297
22
264
266
268
269
271
272
274
276
277
279
21
249
250
252
253
255
257
258
260
261
263
20
234
235
237
238
240
241
243
244
246
247
19
220
221
222
224
225
226
228
229
231
232
18
206
207
209
210
211
213
214
215
217
218
17
194
195
196
197
198
200
201
202
203
205
16
182
183
184
185
186
187
189
190
191
192
15
170
171
173
174
175
176
177
178
179
180
14
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
13
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
12
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
11
131
132
133
134
135
136
136
137
138
139
10
123
124
124
125
126
127
128
129
130
130
9
115
115
116
117
118
118
119
120
121
122
8
107
108
109
109
110
111
112
112
113
114
7
100
101
102
102
103
104
104
105
106
107
6
93
94
95
95
96
97
97
98
99
100
5
87
88
89
89
90
90
91
92
92
93
4
81
82
83
83
84
84
85
85
86
87
3
76
76
77
77
78
78
79
80
80
81
2
71
71
72
72
73
73
74
74
75
75
1
66
66
66
67
67
68
68
69
69
70
0
61
61
62
62
63
63
64
64
65
65
5