Changement d'état à T et P constants

[nlbmoi]

Bonjour

Comment peut-on démontrer que le changement d'état d'un corps pur se fasse à T et P constants ?

Merci
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[LPFR]

Bonjour.
Je ne comprends pas votre question. Les corps peuvent changer d’état aussi bien avec T et/ou P constantes que variables.
Par exemple, la glace peut fondre à P constant (dans un verre de boisson ordinaire) ou à pression variable (sous les pieds du marcheur).
Et le CO2 liquide passe à la phase gazeuse supercritique à la température critique.
Au revoir.

[nlbmoi]

Si je prends un glaçon et que je le laisse fondre à P constant, la température du glaçon ne varie pas durant la transition solide --> liquide
Ma question est donc comment montrer que ce changement d'état se fait à T constant, pourquoi voit-on un palier dans la courbe de refroidissement.

[Resartus]

Bonjour,
Ne sachant pas quel est votre niveau d'étude et votre besoin, je vais donner une explication microscopique qualitative.

Tout d'abord, les changements d'état n'ont pas lieu à une température unique. A toute température, en raison de l'agitation thermique au sein du liquide, une certaine quantité de de molécules du liquide vont s'évaporer, c'est à dire qu'elles auront acquis une vitesse suffisante pour échapper aux forces de cohésion. En sens inverse, s'il existe de la vapeur au dessus du liquide, un certain nombre de molécules du gaz vont être capturées par le liquide. Ce nombre sera d'autant plus important qu'il y a de molécules de ce gaz qui heurtent le liquide. donc que la pression de la vapeur sera élevée (pression partielle, s'il y a aussi d'autres gaz comme l'air)

A chaque température, il existera une pression d'équilibre, qu'on appelle la pression de vapeur saturante, où les quantités de liquide évaporé et de gaz condensé vont exactement se compenser. Tant que la pression de vapeur au dessus du liquide n'a pas atteint cette vapeur, le bilan global sera que le liquide s'évapore lentement et réciproquement, s'il y a trop de pression, la vapeur va se condenser (en priorité sur les surfaces les plus froides).

Mais les évaporations n'ont pas lieu qu'à la surface du liquide. Elles ont lieu aussi à l'intérieur du liquide, où il se forme des microbulles de gaz, qui ne contiennent que de la vapeur, et sont forcément à la pression du liquide. Tant que cette pression est très supérieure à la pression de vapeur saturante, ces bulles de vapeurs se résorbent rapidement, puisque la condensation l'emporte. Quand on approche de la température d'ébullition, elles restent de plus en plus longtemps : c'est l'eau frémissante...
Et quand la température est telle que la pression de vapeur saturante a dépassé la pression au sein du liquide, ces bulles ne se résorbent plus, au contraire, elles se développent et, étant plus légères, montent rapidement en surface : c'est l'ébullition.

Comme il n'y a que la vapeur du corps pur dans ces bulles, cette température d'ébullition ne va dépendre que de la pression. Mais la production de vapeur consomme de l'énergie. Tant que la possibilité de créer ces bulles existe, la chaleur fournie au liquide ne va servir qu'à cela : produire ces bulles, et la température du liquide ne bougera pratiquement pas (du moins avec des chauffages pas trop violents). C'est seulement quand il n'y aura plus de liquide que la température pourra de nouveau augmenter.

Si maintenant il y a un mélange de deux corps dans le liquide, chacun avec ses caractéristiques (plus ou moins volatil), les microbulles n'auront pas en général la même proportion que le liquide. Cela veut dire que la température d'ébullition (le moment où la pression totale, qui est la somme des deux pressions partielles des deux vapeurs, vaut la pression atmosphérique) va varier en fonction des concentrations respectives dans le liquide.
Dans certains cas (solutions dites "idéales"), on peut calculer cette courbe d'évolution de la température d'ébullition en fonction de la proportion des deux composants et de leurs températures d'ébullition respectives

Mais les interactions dans le liquide peuvent dépendre des corps en présence (a<>b différent de a<>a et b<>b ), ce qui peut donner des situations beaucoup plus compliquées (azeotropes où la température d'ébullition est plus faible que celle de chaque constituant, par exemple, et des tas d'autres possibilités)

[A voir en vidéo sur Futura]

[nlbmoi]

J'ai un niveau M1, je sais qualitativement comment se passe le changement d'état.
Ma question est d'ordre plus théorique, comment peut-on démontrer que cette ébullition se fasse à température constante ?