Changement d'état dans les gaz

[rig900]

Bonjour,

1/ Je voudrai savoir si en décomprimant 2 gaz qui ont des températures de liquéfaction différentes, si un des gaz peut se mettre sous la forme liquide ? Exemple: Un piston contient dans une chambre 2 gaz à la température T et à la pression 1 bar, dans l'autre chambre il y a une pression très basse 0.1 mbar. On lâche le piston, les gaz se détendent assez pour diminuer fortement la température et être inférieur à la température de liquéfaction d'un gaz, comme l'autre gaz fournit quand même une pression, est il possible que la liquéfaction ait lieu ?

2/ J'ai aussi une autre question: combien de temps le changement de phase dure t-il ? je ne pense pas que cela puisse être instantané mais est ce que cela se calcule ?

Merci par avance
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[rig900]

Bonsoir,

Les questions ne sont peut être pas très clair, dites moi ?

a+

[LPFR]

Bonjour.
1) La réponse est oui. Un des deux gaz peut se condenser. Vous avez la preuve visuelle dans les zones de condensation que l'on voit près des appuis aérodynamiques des voitures de course ou près des ailes des avions qui font des rétablissements ou des virages forcés.
On le voit aussi dans la formation des cumulus

2) Pour le temps de changement de phase, je pense que pour l'évaporation il faut calculer le réchauffement et l'évaporation de gouttelettes. Par contre, pour la condensation c'est plus compliqué. La formation de gouttes demande des centres de nucléation (des ions, pour l'air). Le gaz peut être sursaturé d'eau et celle-ci ne pas se condenser. C'est le principe de fonctionnement de la chambre à brouillard.
Au revoir.

[rig900]

Bonjour et merci pour la réponse

Si un des gaz se transforme en liquide, si on isole le liquide et que l'on recomprime le gaz (mouvement inverse), on fournit moins d'énergie que reçue lors de la détente, c'est pas possible, cela veut il dire que l'on perd de l'énergie ailleurs, mais où ?

a+

[A voir en vidéo sur Futura]

[LPFR]

Re.
Non. On ne perd pas de l'énergie. La manip que vous décrivez est celle connue en météorologie avec le nom de effet de foehn.
Ce qui arrive est que pendant la condensation du liquide, la température du gaz ne diminue pas car la condensation fournit la chaleur de condensation au gaz.
A+

[rig900]

Si je reprends l'exemple simple du piston, au départ 1 liquide et 1 gaz, je fournis de l'énergie de l'extérieur à partir d'une seule source de chaleur (cela ne me coute rien si la température est celle de l'atmosphère par exemple) pour mettre en gaz le liquide. Ensuite, je récupère une énergie X0 lors de la détente des gaz. En recomprimant le piston, cela me coute une énergie moindre que X0 puisque un des gaz est en liquide et isolé. Le cycle peut recommencer. Cela ne respecte pas le 2° principe de la thermo, c'est pour cela que je disais qu'on perdait de l'énergie ailleurs.
a+

[LPFR]

Re.
Elle n'est pas claire, votre manip.
Vous dites que vous évaporez le liquide et puis en recomprimant le gaz est déjà à l'état liquide ?

Le seul moyen d'analyser ça sérieusement est d'utiliser le cycle thermodynamique de votre manip.
Et de faire le dessin, comme on le fait pour les autres cycles.
La description avec des phrases en l'air n'est pas assez précise.
A+

[rig900]

Désolé, je ne sais pas utiliser les cycles de Carnot mais je peux expliquer en détail la manip:

On dispose d'un piston et d'un cyclindre. On considère l'étanchéité parfaite entre le piston et le cyclindre (pour simplifier les calculs). Le cylindre est totalement isolé thermiquement de l'extérieur, seul un conduit permet de réchauffer lorsqu'on le désire la chambre de gauche. On considère aussi que le piston et le cylindre ne peuvent pas s'échauffer ou se refroidir car ils sont très isolés, encore une fois c'est pour simplifier l'étude.

a) on place dans la chambre de gauche un gaz G1 et un gaz G2 mais sous forme liquide, la chambre de droite a une pression quasi nulle (considéré nulle pour l'étude)
b) on permet au conduit qui est en relation avec l'extérieur d'amener de la chaleur dans la chambre de gauche, le gaz G1 s'échauffe et le liquide G2 se transforme en gaz et s'échauffe
c) une fois la température extérieure atteinte, on coupe l'arrivée de la chaleur provenant de l'extérieur puis on permet au piston de se déplacer vers la droite, on récupère l'énergie du déplacement. Si c'est possible on détend assez les gaz pour que G2 se transforme en liquide. On se déplace tant que G2 n'est pas en liquide.
d) on isole le liquide G2 et on le place tout à gauche dans quelque chose de fermé (mais qui reste dans la chambre de gauche)
e) on ramène le piston à gauche, cela exige de l'énergie mais moins que cela a pu en fournir car G2 n'est plus là (ou si peu car c'est un liquide)
f) on recommence le cycle

Perso, je pense qu'on ne peut pas transformer G2 en liquide mais je ne sais pas calculer cela.

Merci

[LPFR]

Re.
Ce que vous faites n'est évidement pas un cycle de Carnot. Je vous l'ai donné uniquement comme exemple du type de dessin qu'il faut que vous fassiez.

Si vous ne savez comment faire, étudiez-le.

Votre manip ne tient pas debout. Vous chauffez le gaz pour obtenir du travail, puis vous décidez que le gaz va redevenir liquide. C'est absurde.
Décidez quelle est la pression externe et étudiez ce qui change avec la pression de vapeur du gaz, la chaleur fournie et le travail récupéré ou fourni.

On ne fait pas d'analyse à votre façon. C'est du temps perdu.
A+

[rig900]

ok, je vais étudier Carnot. Pourquoi il est absude de chauffer le gaz pour obtenir du travail et ensuite de dire qu'un seul gaz deviendra liquide, l'autre gaz est toujours sous forme de gaz (froid + pression permet de mettre G2 en liquide), enfin c'est peut être pas possible c'était justement ma question de départ ?

a+

[rig900]

J'avais pas compris ! Effectivement, ce n'est pas Carnot qu'il faut utiliser. J'ai donc fait des dessins mais je sais pas si ça suffit ?
a+

[LPFR]

Re.
Non. C'est la courbe de la trajectoire dans le diagramme pression-volume-température.
De même genre que celle de l'exemple pour un cycle différent.
A+

[rig900]

Bonjour,

J'ai commencé à regarder la thermodynamique, ce n'est pas simple. Pourquoi le changement d'état consomme/founit autant d'énergie ? Par exemple lorsque l'on refroidit de l'eau de 100°C à 0°C (1bar sous forme de gaz) l'énergie de la température est faible par rapport au changement d'état pour un simple petit degré en moins (passage en liquide) ?

Erratum: dans mon message précédent à la 2° étape on chauffe jusqu'à ce que G2 se transforme en gaz et prenne la température 280°K.

MErci

[LPFR]

... Pourquoi le changement d'état consomme/founit autant d'énergie ? ...

Bonjour.
Si j'étais prêtre de Zeus, je vous dirai que c'est parce que Zeus l'a voulu ainsi.

La physique, et les sciences en général, ne répondent pas (et ne s'intéressent pas) au "pourquoi" des choses, mais uniquement au "comment".
Le "pourquoi" est un sujet de religion, philosophie ou métaphysique.
Au revoir.

[rig900]

re,

mais l'énergie qui est nécessaire lorsque l'on passe d'un liquide à un gaz passe bien quelque part, elle agite ? elle s'évapore dans "le changement d'état" c'est tout ? en posant le pourquoi je voulais savoir où l'énergie partait ?

[LPFR]

Re.
Oui. Elle passe sous forme d'énergie d'agitation thermique.
Il est possible que la raison de la chaleur de vaporisation soit que les molécules dans le gaz ont trois degrés de liberté de plus qu'à l'état liquide (vitesses en 'x', 'y' et 'z').
Mais je ne suis pas sur que ce soit l'explication correcte. Je ne parierai pas plus qu'un café.
Elle ne colle pas avec le passage solide-liquide.
A+

[rig900]

re

J'ai regardé sur wiki c'est en fait l'énergie des liaisons atomiques/ioniques. Et j'ai compris aussi pourquoi il faut une certaine pression pour que le gaz se mette sous forme liquide. Ici avec 2 gaz différents faut voir parce que le gaz G2 peut se mettre sous forme liquide au niveau température, admettons qu'une goutte de liquide de G2 se soit formée si la pression du gaz G1 est suffisante alors le mouvement de chaque molécule ne permet pas un déplacement important des molécules et peut être qu'elles font des aller retour sur le liquide, enfin c'est vraiment hypothétique. Sinon les molécules s'aparpillent à cause de G1 et la phase liquide de G2 est impossible.

[rig900]

C'est vrai qu'en séparant les 2 gaz se serait plus plausible, G2 se détend comme G1 puis G1 refroidit G2 pour le rendre liquide. Après il faut savoir de combien il faut refroidir G2 pour le rendre liquide. Je vais voir au niveau calcul ce que cela peut bien donner.

a bientot