Thermodynamique - Température de changement d'état...

[Seb87]

Bonjour...
J'ai quelques interrogations sur les températures de changement d'état de l'eau.

L'eau est un corps pur, et on dit que sa température d'ébullition, à la pression d'1 atm, est en théorie de 100°C.

Cependant, j'ai cru comprendre en pratique que c'est loin d'être le cas... Plus on a une eau pure, plus sa température d'ébullition est élevée. En effet, la température d'ébullition dépend de la quantité de gaz dissout dans l'eau.
Aussi, une eau qu'on a déjà fait bouillir, est partiellement dégazée. Et si on essaie de la faire rebouillir, le phénomène se produit à une température plus élévée.

Ma question est donc la suivante: pourquoi prend on la température d'ébullition théorique de l'eau, corps pur, comme référence, alors qu'en pratique une eau peut contenir plus ou moins de gaz et avoir une température d'ébullition de plus de 150°C! (sous pression normale)

Y'a t-il des spécialistes de la thermodynamique, qui pourraient me donner la définition exacte de la température de vaporisation de l'eau sous pression normale?

Cordialement,
Seb87

[mariposa]

Envoyé par Seb87

Bonjour...
J'ai quelques interrogations sur les températures de changement d'état de l'eau.

L'eau est un corps pur, et on dit que sa température d'ébullition, à la pression d'1 atm, est en théorie de 100°C.

Cependant, j'ai cru comprendre en pratique que c'est loin d'être le cas... Plus on a une eau pure, plus sa température d'ébullition est élevée. En effet, la température d'ébullition dépend de la quantité de gaz dissout dans l'eau.
Aussi, une eau qu'on a déjà fait bouillir, est partiellement dégazée. Et si on essaie de la faire rebouillir, le phénomène se produit à une température plus élévée.

Ma question est donc la suivante: pourquoi prend on la température d'ébullition théorique de l'eau, corps pur, comme référence, alors qu'en pratique une eau peut contenir plus ou moins de gaz et avoir une température d'ébullition de plus de 150°C! (sous pression normale)

Y'a t-il des spécialistes de la thermodynamique, qui pourraient me donner la définition exacte de la température de vaporisation de l'eau sous pression normale?

Cordialement,
Seb87

L'eau bout a 100°C a pression normale, avec ou sans gaz dissous. Par exemple si l'eau contiend du gaz carbonique qui n'est pas en équilibre avec sa pression partielle de vapeur ce gaz s'échappe (ça fait des bulles de CO2) mais l'eau ne s'évapore pas. C'est seulement à 100°C que toute l'eau va se tranformer en vapeur.

[Seb87]

Merci de ta réponse, mais il me semble que je me suis mal exprimé...

Je ne dis pas que j'observe des températures d'ébullition inférieures à 100°C.
Et je sais également que les premières bulles observées ne contiennent pas de la vapeur d'eau, mais de l'air qui s'échappe.

L'expérience est la suivante:
Prenons une eau qui a subit une ébullition et qui a refroidit.
Si on la porte à nouveau à ébullition, le phénomène se produit à plus de 100°C.
On peut renouveller l'opération, plusieurs fois... et on peut observer que l'eau ne rentre pas en ébullition, meme au dessus de 100°C.
On peut ainsi conserver de l'eau liquide, "au repos" jusqu'à 150°C....
(toujours sous pression normale)

[mariposa]

Envoyé par Seb87

Merci de ta réponse, mais il me semble que je me suis mal exprimé...

Je ne dis pas que j'observe des températures d'ébullition inférieures à 100°C.
Et je sais également que les premières bulles observées ne contiennent pas de la vapeur d'eau, mais de l'air qui s'échappe.

L'expérience est la suivante:
Prenons une eau qui a subit une ébullition et qui a refroidit.
Si on la porte à nouveau à ébullition, le phénomène se produit à plus de 100°C.
On peut renouveller l'opération, plusieurs fois... et on peut observer que l'eau ne rentre pas en ébullition, meme au dessus de 100°C.
On peut ainsi conserver de l'eau liquide, "au repos" jusqu'à 150°C....
(toujours sous pression normale)

La je suis vraiment étonné je n'ai jamais vu cela mentionné nulle part.

Par contre ce qui est bien connu est que l'on peut porté de l'eau liquide tres pure jusqu'a une température de -40°C. En deça de cette température l'eau liquide se transforme brusquement en glace.
L'explication est que l'eau en dessous de 0°C est un état métastable et que quelques impuretées sont nécessaires pour que le changement de phase se fasse à O°C

[Chip]

Envoyé par mariposa

La je suis vraiment étonné je n'ai jamais vu cela mentionné nulle part.

C'est simplement de l'eau surchauffée, non? Je crois que ça peut être assez dangereux (elle peut se mettre à bouillir "en masse" après un choc ou autre perturbation). C'est vrai que la surfusion est plus connue.

http://www.phys.unsw.edu.au/~jw/superheating.html

[mariposa]

Envoyé par Chip

C'est simplement de l'eau surchauffée, non? Je crois que ça peut être assez dangereux (elle peut se mettre à bouillir "en masse" après un choc ou autre perturbation). C'est vrai que la surfusion est plus connue.

http://www.phys.unsw.edu.au/~jw/superheating.html

Chouette, j'ai appris quelquechose dont j'ignorais jusqu'a l'existence. et je t'en remercie. J'ai donc regardé le site. Il semble bien que le mécanisme de superheating soit tout a fait équivalent au mécanisme de surfusion.

Donc pour répondre a la question de Seb87 l'eau pure au dessus de 100°C se trouve dans un état métastable, c'est a dire hors d'équilibre thermodynamique et a besoin d'impuretés (d'atomes de gaz en solution) pour se transformer en vapeur. En abscence d'impuretés l'eau surchauffée finierai quand même par se transformer en vapeur à 100°C mais avec une cinétique tres tres lente. En effet les fluctuations naturelles on sein de la phase liquide finissent toujours par créer des bulles de vapeur au sein du liquide qui vont être des gemes de nucléation.

[Seb87]

L'eau pure est décidément très contrariante....
Métastable en dessous de 0°C avec phénomène de surfusion, métastable au dessus de 100°C avec retard à l'ébullition...

Ma question était alors "Pourquoi cette référence?". Il semblerait que ces températures de changement d'état, sous une pression d'1 atm, ne résulte pas de faits expérimentaux, mais de calculs thermodynamiques purement théoriques.
Si quelqu'un pouvait approfondir cela et donner quelques explications...

[mariposa]

Envoyé par Seb87

L'eau pure est décidément très contrariante....
Métastable en dessous de 0°C avec phénomène de surfusion, métastable au dessus de 100°C avec retard à l'ébullition...

Ma question était alors "Pourquoi cette référence?". Il semblerait que ces températures de changement d'état, sous une pression d'1 atm, ne résulte pas de faits expérimentaux, mais de calculs thermodynamiques purement théoriques.
Si quelqu'un pouvait approfondir cela et donner quelques explications...

L'eau bout vraiment à 100°C et géle vraiment à 0°C. Et cela est expérimental. ce sont donc de bonnes références.

Le seul problème pratique est que lorsque l'eau est tres tres pure la cinétique de changement d'état est tres lente. Pour accélerer la cinétique on "pousse" la température, mais cette température n'est plus une caractéristique d'une propriété d'équilibre. Elle ne fait qu'accélerer le phénomène mais fondamentalement elle ne le déclenche pas.

[zoup1]

L'eau pure est décidément très contrariante....
Métastable en dessous de 0°C avec phénomène de surfusion, métastable au dessus de 100°C avec retard à l'ébullition...

Ma question était alors "Pourquoi cette référence?". Il semblerait que ces températures de changement d'état, sous une pression d'1 atm, ne résulte pas de faits expérimentaux, mais de calculs thermodynamiques purement théoriques.

Le fait d'avoir des états métastables ne me semble pas si contrariant. Il faut être précautionneux généralement pour observer ses états métastable. Je pense par exemple que le simple fait de mélanger l'eau devrait suffire pour sortir de cet état métastable.

Le fait d'avoir au contraire une plage de "stabilité" importante lors de ces changements de phase avec une coexistence des 2 phases en question, permet d'avoir un bien défini.

aujourd'hui, l'unité de température est fixée par rapport au point triple de l'eau. Celui ci possède l'avantage que n'existe que pour une pression et une température.

[Seb87]

J'ai relevé sur la page web http://www.palais-decouverte.fr/discip/physique/faq/chaleur.htm

Et j'ai surligné la phrase qui résume cet état métastable.

"En fait, l'eau se réchauffe plus rapidement que les bulles de vapeurs peuvent se produire. Les bulles ne se formant pas ne dégagent pas la chaleur accumulée, le liquide ne bout pas et se réchauffe au-delà de son point d'ébullition. Ce qui se produit par la suite : L'eau est déplacée soudainement, ce qui est un choc suffisant pour causer la création rapide de bulles qui expulsent l'eau chaude."

[zoup1]

"En fait, l'eau se réchauffe plus rapidement que les bulles de vapeurs peuvent se produire. Les bulles ne se formant pas ne dégagent pas la chaleur accumulée, le liquide ne bout pas et se réchauffe au-delà de son point d'ébullition.

C'est marrant, mais je ne suis pas vraiment d'accord avec cette phrase.
L'état métastable est pour moi lié au fait que énergétiquement dans cet état métastable, l'énergie de la phase "attendue" (solide pour fixer les idées) est plus faible que l'énergie de la phase effectivement présente(liquide). Mais, lorsque le système est dans la phase liquide, pour pouvoir passer en phase solide, il ne peut le faire comme cela. Il a besoin de créer localement des zones solides à l'intérieur des zones liquides. Cela implique en plus en énergie de surface lièe à l'interface entre les 2 phases. L'existence de cette énergie de surface ne rend plus favorable le passage de la phase liquide à la phase solide. Si on a à faire avec un système pur... voilà comment on peut obtenir des systèmes surfondus. Pour des systèmes impurs, les impuretées peuvent jouer le rôle de germe, et favoriser localement le passage à la forme solide.

J'espère que cela n'est pas trop confusant ?

[mariposa]

Envoyé par Seb87

J'ai relevé sur la page web http://www.palais-decouverte.fr/discip/physique/faq/chaleur.htm

Et j'ai surligné la phrase qui résume cet état métastable.

"En fait, l'eau se réchauffe plus rapidement que les bulles de vapeurs peuvent se produire. Les bulles ne se formant pas ne dégagent pas la chaleur accumulée, le liquide ne bout pas et se réchauffe au-delà de son point d'ébullition. Ce qui se produit par la suite : L'eau est déplacée soudainement, ce qui est un choc suffisant pour causer la création rapide de bulles qui expulsent l'eau chaude."

Cette explication est vague et même me parait fausse. En effet cette explication ne tiend pas pour expliquer le phénomène lorsque l'eau est légérement impure. Cela voudrait dire que les bulles se formeraient en présence d'impuretéS. Je suis sceptique.

Si tu veux comprendre le phénomène au niveau microscopique dans le cas de la surfusion. il faut s'interesser au phénomène de nucléation des transitions du 1ier ordre qui montre la compétition entre une énergie associé à un volume d'un "germe" et l'énergie associée a l'interface de ce germe qui sont l'un et l'autre de signe contraire. L'énergie en volume croit comme le cube du rayon tandis que la surface augmente comme le carré.etc...

[zoup1]

Mon message dit je pense à peu près la même chose que celui de mariposa...

[mariposa]

Envoyé par zoup1

Mon message dit je pense à peu près la même chose que celui de mariposa...

Tout a fait nous sommes d'accord.

Par contre je tente une explication pour la version eau-surchauffée.
supposons que se forme une bulle de vapeur dans le liquide. Comme c'est un gaz il y eu nécéssairement expansion du volume et donc détente adiabatique et donc refroidissement de la bulle et retour a la condensation. Tout ça s'est passé en une fraction de µs. Pour que la bulle puisse sortir du liquide il faut qu'elle monte par la force d'archimède en un temps plus court que la durée de vie de la bulle. Plus les bulles seront grosses plus leur durée de vie sera élevée et ainsi de leur probabilité de sortie. les bulles verront leur durée de vie augmentée avec l'écart à 100°C.

Ceci n'a rien d'officiel, c'est une première tentative d'explication.

[Ghost]

Envoyé par mariposa

Tout a fait nous sommes d'accord.

Par contre je tente une explication pour la version eau-surchauffée.
supposons que se forme une bulle de vapeur dans le liquide. Comme c'est un gaz il y eu nécéssairement expansion du volume et donc détente adiabatique et donc refroidissement de la bulle et retour a la condensation. Tout ça s'est passé en une fraction de µs. Pour que la bulle puisse sortir du liquide il faut qu'elle monte par la force d'archimède en un temps plus court que la durée de vie de la bulle. Plus les bulles seront grosses plus leur durée de vie sera élevée et ainsi de leur probabilité de sortie. les bulles verront leur durée de vie augmentée avec l'écart à 100°C.

Ceci n'a rien d'officiel, c'est une première tentative d'explication.

Bonsoir, j'ai une explication à ce qu'il me semble, cependant je crois que si cela se passe effectivement comme ça, la vitesse de transfert des bulles entre le milieu de formation des bulles et la surfaces doit augmenter exponentiellement à mesure que le phénomène évolue, de sorte que la vaporisation est obligatoire à la fin.
En effet, supposons qu'effectivement une seule bulle se forme à l'instant t en un lieu géométrique arbitraire du fluide.
Cette bulle ne peut être arbitrairement petite car sa taille dépend des effets microscopiques de la température sur le fluide.
Cependant une tel taille de bulle ne peut être prévue par la théorie car il me semble que le phénomène associé à cette transformation d'état est chaotique.
La bulle évolue par ailleurs dans des flux de chaleurs convectifs à l'intérieur du milieu sa trajectoire n'est donc déterminé à priori que par les corurants de convection existant à l'instant t dans le milieu.
Ainsi le temps de parcours de la bulle entre la source et la surface est arbitraire pour une bulle donné.
Si on résonne de manière statistique en supposant ques les flux de chaleur forment des tubes de champs dans le milieu on peut peut être et là je tente une approximation délicate, dire que la trajectoire de chaque bulle est modélisable dans un espace de configuration et que cette trajectoire doit être extrémisé car l'action associé au lagrangien dépend principalement de la pression et de la température du milieu autour du flux convectif.
Le tube de flux convectif est donc semblable à un tube de champ en mécanique quantique et la méthode de renormalisation de Feynman peut peut être aider à trouver la trajectoire de la particule dans ce tube de convection en fonction des degrés de libertés considérés.
En outre, si la trajectoire d'une particule est inconnue, l'ensemble des particules doivent suivre en moyenne la direction du gradient de pression dans le milieu. On peut donc dire qu'en moyenne les bulles iront verticalement à la surface.
En outre, cela ne résoud pas le problème car nous avons considéré de l'eau en surfusion et nous avons dit que cette eau était susceptible de se transformer en vapeur à la moindre perturbation.
Chaque bulle peut par ailleurs constituer une perturbation.
Pour minimiser l'effet d'une bulle on doit dire que le temps de transfert des bulles à la surfaces est petit devant le temps de transformation instantannée du milieu en vapeur.
Une tel approximation impose, étant donné l'augmentation du irréversible désordre avec l'apparition de nouvelles bulles, que ce temps de transformation deviennent de plus en plus court à mesure que les bulles arrivent à formation.
En effet, les bulles emportent avec elles une part de la masse du milieu et laissent derrière elle une trace radiative sur le milieu restant car si on suppose que la viscosité de ces bulles est non nulle, elles perdent de l'énergie qu'elles échangent avec les flux de convections.
Les bulles transforment de la chaleur en énergie cinétique par l'intermédiaire de la pression.
Ainsi le milieu chauffe et finira tôt ou tard par se vaporiser à moins d'voir un moyen d'évacuer éfficacement ces excès de chaleur sans être perturbé trop violemment.
Donc les bulles remontent à la surface mais elles leur temps de transfert doit augmenter à mesure que la masse en liquide du milieu diminue et que le temps de transformation se raccourcie.
Il arrive un moment où les bulles n'arrivent plus à aller plus vite que le temps de transformation du milieu.
Le milieu devient alors hautement instable.
Il arrive un moment où le fluide disparaît, à cause des bulles donc à mon sens

Pourriez vous avoir la gentillesse de me dire si mon raisonnement est raisonnable ou simplement trop complexe pour le cas présent.
Ces idées sont déjà hautement compliqués.
Je suis réellement désolé d'avoir eu recours à des mécanismes aussi compliqués.
Je pense que le fait de discuter me permettra de comprendre si j'ai raison et surtout, plus important de faire éclater la réalité du problème.

La définition donné par mariposa ne me plaît pas trop car elle suppose que les bulles sont dans un milieu où l'on ne tient pas compte du chauffage et de ces effets. Or je pense que la poussée d'Archimède est contrebalancé par le poids des bulles et ainsi ne peut jouer un rôle significatifs si d'autres forces perturbe le mouvement vertical.

J'attend avec impatience des arguments, car le problème qui paraît simple fait intervenir beaucoup de physique je pense.

A Toute, Ghost..

[mariposa]

Ola doucement Ghost, ce n'est pas en alignant des arguments tout azimuth que cela fera avancer le débat. Face a la complexité l'art de la physique c'est de mettre le doigt sur l'essentiel.

1- S'agissant de l'eau surchauffée je ne connaissais même pas l'existence du phénomène il y a 2 jours.
2- Pour expliquer le phénomène il faut d'abord identifier de quelle(s) problématique(s) il relève.
3- La réponse a cette question est facile il s'agit d'expliquer l'existence d'un état métastable d'un systéme macroscopique de type thermodynamique.
4- Pour cela il y a un exemple bien connu a partir duquel on peut s'inspirer, a savoir le mécanisme de nucléation en phase liquide des transitions de phase du 1ier ordre. (cours élémentaire de thermodynamique 1ier cycle universitaire).
5- Par analogie avec le cas précédent il s'agit de montrer qu'une bulle de gaz (et une seule!!) est instable en dessous d'une certaine taille et stable au-dessus. L'explication que j'ai donné ci-dessus relevait de cette démarche, je l'ai écrit par réflexe en 2 mn, c'est pourquoi j'ai précisé que c'était un essai.
6- Pour expliquer un phénomène il faut être en mesure de mener a bien des calculs. Dans la logique de ce qui est décrit dessus il faudrait mener une étude de stabilité de la bulle de gaz en mettant en jeu la stabilité verticale (comme dans les études atmosphériques) et la stabilité dimensionnelle (comme dans le phénomène de nucléation en phase liquide).
7- Pour réaliser le modèle il faut des faits expérimentaux numériques que je ne dispose pas et je ne peux rien faire de solide.
8- D'autre part je suppose que le phénomène a déjà été expliqué, reste a le trouver.
enfin il n'y a pas de places ni au diagrammes de Feynman, ni a la théorie du chaos déterministe, ni a l'equation de naviers-Stock et encore moins a ces foutus observateurs, ni au théorème de Borel Lebesgue.

Cordialement

mariposa

[mariposa]

Precision: j'ai effectué une recherche bibliographique pendant plus d'une 1H sur le WEB et je n'ai rien trouvé de pertinent sur la question. Mon sentimentement général est que le phénomène n'est pas bien ou pas du tout expliqué. Les seules esquisses d'explications que j'ai trouvé sont même en dessous de celles que j'ai improvisé ci-dessus. Voilà donc un sujet de recherche pratiquement vierge!!!!!

[Seb87]

Bonjour.
Je me rends bien compte que ma question toute simple prend des tournures bien compliquées....
Le problème s'étend et ma question initiale est bien loin.

Il y a quelquechose qui me perturbe dans tous ces raisonnements, et en particulier je remarque que la surfusion a souvent été citée, pour tenter d'expliquer le retard à l'ébullition.
Je me trompe peut-être, mais je crois que les conditions pour ces 2 phénomènes sont bien différentes.
L'état métastable observé dans l'eau en surfusion, s'applique bien à une eau pure. Ce phénomène peut se reproduire dans un congélateur, à condition de prendre de l'eau déminéralisée par exemple.
Pour ce qui est de l'eau surchauffée... c'est bien différent. L'eau n'est absolument pas pure. Certes, plus elle est dégazée, plus on a de chance d'observer le phénomène, mais de l'eau du robinet placée au micro-onde dans un récipient approprié suffit.

Envoyé par mariposa

4- Pour cela il y a un exemple bien connu a partir duquel on peut s'inspirer, a savoir le mécanisme de nucléation en phase liquide des transitions de phase du 1ier ordre. (cours élémentaire de thermodynamique 1ier cycle universitaire).

En ce qui concerne cette remarque, désolé Mariposa, mais j'ai beau être en 2è cycle universitaire, je n'ai jamais étudié la nucléation en phase liquide des transitions de phase du 1ier ordre

Et comme tu le disais, moi aussi j'ai recherché un peu sur le web, et je n'ai pas trouvé grand chose qui traite de ce problème...
Comme quoi des choses toutes simples de la vie courante ne sont pas toujours facile à comprendre/expliquer... (C'est dur à supporter ce sentiment d'impuissance lol )

Cordialement