Que s'est-il passé ? Eh bien, le liquide a subi un changement de phase à cause de la température extérieure. Dans cet article, nous allons tout apprendre sur les changements de phase et sur la façon dont nous utilisons les diagrammes de phase pour comprendre quand ces changements se produisent.
- Cet article a pour sujet le diagramme de phase de l'eau
- Tout d'abord, nous définirons ce que sont une phase et un changement de phase et nous apprendrons quels en sont les différents types
- Ensuite, nous définirons ce qu'est un diagramme de phase .
- Ensuite, nous examinerons le diagramme de phase de l'eau et apprendrons à l'interpréter.
- Ensuite, nous utiliserons ce diagramme de phase pour répondre à quelques problèmes pratiques.
- Enfin, nous résumerons les raisons pour lesquelles les diagrammes de phase sont si importants.
Changements de phase
Une phase fait référence à l'un des trois états de la matière : solide, liquide et gazeux.
Un changement de phase est le processus par lequel une espèce gagne ou perd suffisamment d'énergie pour passer d'une phase à une autre.
Fig. 1 : Les différents états de la matière
- Dans un solide, les particules sont proches les unes des autres et ne peuvent que vibrer.
- Dans un liquide, les particules sont légèrement plus éloignées les unes des autres et peuvent échanger leurs places.
- Dans un gaz, les particules sont très éloignées les unes des autres et peuvent se déplacer librement.
La température est une mesure de l'énergie cinétique (énergie de mouvement), donc plus une chose est chaude, plus ses particules se déplacent rapidement. C'est pourquoi, lorsqu'une espèce atteint une certaine quantité d'énergie/de chaleur, elle change de phase.
Les changements de phase provoqués par le gain de chaleur sont les suivants :
- La fusion (solide --> liquide).
- L'ébullition (liquide --> gaz).
- Sublimation (solide --> gaz).
Fondamentalement, l'espèce a gagné suffisamment d'énergie pour que ses particules puissent se déplacer plus librement et donc se libérer des interactions entre elles ou les affaiblir.
Les changements de phase provoqués par la perte de chaleur sont :
- La congélation (liquide --> solide).
- Condensation (gaz --> liquide).
- Le dépôt (gaz --> solide).
Lorsque nous plaçons une espèce dans un environnement plus froid qu'elle, l'environnement "absorbe" l'énergie thermique de l'espèce, ce qui provoque son refroidissement.
Lorsqu'une espèce se refroidit, ses particules se déplacent plus lentement, de sorte que les interactions entre les particules deviennent plus fortes et que les particules elles-mêmes se rapprochent les unes des autres.
Définition d'un diagramme de phase
Un diagramme de phase est un graphique montrant les différentes phases d' une substance à différentes températures et pressions.
Dans un diagramme de phase, la pression est indiquée sur l'axe des y et la température sur l'axe des x. En suivant le diagramme, nous pouvons voir comment les changements de pression et de température affectent l'état de la matière d'une substance.
Bien que l'on pense généralement que les changements de phase sont dus à la température, un changement de pression peut également provoquer un changement de phase. Lorsque la pression augmente, les particules sont comprimées plus étroitement. Pour cette raison, une augmentation de la pression est similaire à une diminution de la température en termes de changement de phase (c'est-à-dire que lorsque la pression d'un liquide est suffisamment élevée, il devient solide, de la même façon qu'un liquide gèle s'il est à une température suffisamment basse).
Comment lire un diagramme de phase de l'eau
Maintenant que nous savons ce qu'est un diagramme de phase, examinons celui de l'eau.
Voici à quoi ressemble le diagramme de phase de base de l'eau :
Fig. 2 : Le diagramme de phase de base de l'eau
Il y a ici quelques points clés que nous devons connaître :
- Le point triple
- Le point triple est l'endroit où les trois phases peuvent exister en équilibre
- En fonction de la façon dont la pression/température est modifiée, n'importe quel changement de phase peut se produire à cet endroit.
- Lepoint critique
- À ce stade, il n'est plus possible de faire la distinction entre la phase liquide et la phase gazeuse.
- Nous considérons la substance comme un fluide supercritique à la fois à ce point et au-delà.
- La courbe de sublimation/déposition
- La courbe en bas à gauche entre le gaz et le solide jusqu'au point triple.
- Indique les différentes températures/pressions auxquelles un gaz peut se transformer en solide et vice-versa.
- La courbe d'ébullition/condensation
- La courbe du point triple au point critique
- Indique les différentes températures/pressions auxquelles un liquide peut se transformer en gaz et vice-versa.
- La courbe de fusion/congélation
- La courbe du point triple vers le haut entre la phase solide et la phase liquide.
- Indique les différentes températures/pressions auxquelles un solide peut se transformer en liquide et vice-versa.
Le diagramme de phase complet de l'eau
Le diagramme que nous venons d'examiner traite l'eau solide comme une seule phase, mais ce n'est que partiellement correct. L'eau a environ 13 formes différentes d'eau solide. Dans chaque "phase", l'arrangement des molécules d'eau est différent, ce qui leur confère des propriétés légèrement différentes.
Tu trouveras ci-dessous un diagramme de phase de l'eau montrant ces différentes formes de glace :
Fig. 3 : Diagramme de phase de l'eau montrant les différentes phases de glace
Questions pratiques sur le diagramme de phase de l'eau
Maintenant que nous avons appris à lire un diagramme de phase, essayons de résoudre quelques problèmes pratiques !
À l'aide du diagramme de phase ci-dessous, réponds aux questions suivantes :
A) À 10 atm et 50 °C, quelle est la phase de l'eau ?
B) À une pression inférieure à 4,58 torr, quelles phases peuvent exister ?
C) Un échantillon d'eau existe à 8 atm et -10 °C, si la température est portée à 80 °C, quel type de changement de phase se produira ?
D) Vrai ou faux : La fonte peut commencer à une température supérieure à 0 °C (c'est-à-dire que la glace peut atteindre une température supérieure à 0 °C avant de fondre).
Fig. 4 : Utilise ce diagramme de phase pour répondre aux questions ci-dessus.
A) À 50 °C, l'eau est soit liquide, soit gazeuse, en fonction de la pression. Comme la pression est de 10 atm, l'eau est sous forme liquide.
B) 4,58 torr (et 0 °C) est le point triple. En dessous de ce point, seuls les états solide et gazeux peuvent se produire, quelle que soit la température.
C) À 8 atm et -10 °C, l'échantillon est solide. Puisque cet échantillon est à une pression supérieure au point triple, le solide se transformera en liquide lorsqu'il sera chauffé (c'est-à-dire qu'il fondra).
D) La courbe entre l'état solide et l'état liquide est orientée vers la gauche, ce qui signifie qu'un solide fondra à des températures plus basses lorsqu'une pression plus élevée est appliquée. Cela signifie que, quelle que soit la pression, la glace ne peut pas exister au-delà de 0 °C et commencera à fondre. La réponse est donc fausse.
Importance d'un diagramme de phase
Les diagrammes de phase sont un outil de référence très important. Il nous montre la relation entre la température, la pression et la phase. Par exemple, as-tu déjà cuisiné quelque chose et remarqué qu'il y avait des instructions pour les hautes altitudes ? C'est parce qu'à haute altitude, la pression est plus faible, donc les différentes espèces comme l'eau vont se comporter différemment.
Cela nous aide aussi à comprendre dans quel état se trouveront certaines espèces à différentes températures et pressions, ce qui peut être très utile pour faire des expériences.
Diagramme de phase de l'eau - Principaux enseignements
- Une phase fait référence à l'un des trois états différents de la matière : solide, liquide et gazeux.
- Un changement de phase est le processus par lequel une espèce gagne ou perd suffisamment d'énergie pour passer d'une phase à une autre.
- Un diagramme de phase est un graphique montrant les différentes phases d'une substance à différentes températures et pressions.
- Le point triple est le point où les trois phases peuvent exister en équilibre.
- Le point critique est l'endroit où l'on ne peut plus distinguer la phase liquide de la phase gazeuse.
- Nous considérons que la substance est un fluide supercritique à la fois à ce point et au-delà.
Références
Fig.2 - Le diagramme de phase de base de l'eau (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/11/Sublimination.jpg/640px-Sublimination.jpg) par Barley, J sous licence CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)
Fig.3-Diagramme de phase de l'eau montrant les différentes phases de la glace (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/08/Phase_diagram_of_water.svg/640px-Phase_diagram_of_water.svg.png) par Cmglee (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Cmglee) sous licence CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)
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