Pression sur un corps pur et changement d'état

[invitefa091091]

Bonjour à tous, je suis en MPSI (je passe en MP ), et je ne comprend pas bien le rapport entre pression et changement d'état d'un corps (prenons l'eau par exemple). Je m'explique :

-Quand on regarde le diagramme pression/température de l'eau, au vue de la pression atmosphérique et de la température usuelle sur terre, on se trouve clairement sur un équilibre de l'eau en phase liquide, pourtant on constate que l'eau va tendre à s'évaporer (plus ou moins rapidement selon les conditions extérieurs) spontanément, ce qui ne colle donc pas avec la théorie. Mon prof de physique et d'autre m'ont dit qu'en fait c'est parce que la pression qui compte , et donc celle sur le diagramme est en fait la pression de vapeur (pression partielle de vapeur d'eau), et non la pression totale, ce qui fait dès lors qu'on se situe bien sur la phase gazeuse de l'eau, et qui explique son évaporation (lente à cause d'un blocage cinétique selon mon prof de physique).

-Pourtant, il y a 2-3 trucs qui me chiffonnent : Si par exemple on fout de l'eau liquide dans un piston (et que il y a de l'aire dans le reste du piston), et qu'on fait augmenter la pression par déplacement du piston, on va bien observer que la pression du piston influe sur l'état de l'eau non ? De plus, il me semble que vue ce que j'ai dis précédemment, le fait de juste augmenter la pression, sans augmenter celle de vapeur d'eau, ne devrais pas avoir un impact.
Et qu'est ce qu'il se passe quand il y a plus du tout de vapeur d'eau ? On peut dire que la pression est nul ? A ce moment là on est en phase gazeuse sur le diagramme, et pourtant il n'y a plus de vapeur d'eau ...il y a donc une contradiction.
Si on prend l'expérience de prendre de l'eau solide, et de faire augmenter suffisamment la pression sur l'eau (avec une presse à diamant genre), on va atteindre d'autre états cristallins de l'eau solide sur le diagramme pression/température, pourtant ici la pression partielle de vapeur d'eau est clairement nulle, car parler de vapeur d'eau n'a aucun sens dans la mesure où elle n'existe pas, et pourtant la pression qui rentre en jeu est bien la pression mécanique exercée par la presse à diamant.

- A titre informatif, je crois que le majorant de ma prépa m'avait rapidement parlé de prolongement (au sens mathématique du terme) qui permettrait de traiter le cas où ya pas de vapeur d'eau, mais j'ai pas compris grand chose je dois bien l'avouer.
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[invite6dffde4c]

Bonjour,

.... ce qui ne colle donc pas avec la théorie...

Avant d’écrire ce type de ... phrases, il faut s’assurer que l’on connaît les théories en question.

L’eau sur terre est rarement à l’équilibre avec la vapeur d’eau. La plupart du temps elle est en train de s’évaporer, et dans d’autres occasions elle se condense en donnant des nuages d’eau ou de glace.

Dans un récipient fermé, la pression partielle de la vapeur d’eau est égale à la pression de vapeur saturante. Et ceci, indépendamment de la pression partielle d’autres gaz éventuels dans l’enceinte.


le diagramme qu’il faut regarder est le diagramme de phase de l’eau.

Dans votre cylindre, pour une température donnée, l’eau restera liquide aussi longtemps que la pression reste dans la zone verte du diagramme dans la droite verticale correspondant à la température. Par exemple, la ligne rouge du diagramme qui correspond à (un peu plus de) 100 °C, l’eau sera sous forme gazeuse jusqu’à 100 kPa, puis liquide jusqu’à 1,5 GPa. Où elle deviendra solide.

Au revoir.

[invitefa091091]

-Bonjour, merci pour votre réponse. Tout d'abord vous n'êtes pas obligé d'être si sec, quand je parle de théorie vous l'avez bien compris je parlais simplement du diagramme de stabilité de phases de l'eau en fonction de la pression et de la température. Et deuxièmement si vous avez bien lu, j'expliquais simplement que quand j'ai essayé de comprendre l'évaporation de l'eau, j'avais commis une erreur en pensant que la pression qui compte était la pression atmosphérique. Donc je me passerais de ce genre de remarque inutile et rabaissante (en tout cas je l'ai pris comme ça).

Sinon justement je ne comprend pas bien comment ça se fait que, juste en modulant la pression, l'eau va changer d'état, étant donné que la pression sur le diagramme n'est pas la pression totale mais la pression partielle de vapeur d'eau, enfin de ce que j'ai compris de mon cours.

[mach3]

Bonsoir,

plusieurs choses :

-le diagramme unaire de l'eau décrit en toute rigueur le comportement d'un système constitué d'eau, uniquement d'eau et seulement d'eau
-quand il n'y a pas que de l'eau, mais n constituants en plus, il faut considérer en toute rigueur un diagramme à n+1 constituants, ce dont on ne dispose généralement pas, sauf si n est petit (1, 2... 3 peut-être...) et que quelques physico-chimistes ont bien eu la gentillesse de les étudier
-Il existe des approximations, notamment du fait que dans les conditions ambiantes l'air sec ou humide est un gaz parfait, et que les constituants de l'air sont très modérément solubles dans l'eau, qui permettent d'utiliser le diagramme unaire de l'eau pour évaluer le comportement de systèmes réels, non fait exclusivement d'eau.

Les équilibres entre phases se décomposent en 3 équilibres distincts. L'équilibre thermique qui est atteint quand la température est constante partout dans le système, l'équilibre mécanique qui est atteint quand la pression est répartie suivant les lois de l'hydrostatique (donc constante si système de faible dimension verticale) et enfin l'équilibre chimique qui est atteint quand les potentiels chimiques des espèces présentes sont les mêmes partout.

Le potentiel chimique de l'eau tend donc à s'égaliser partout dans un système (donc dans toute ses phases) pour atteindre l'équilibre. Ce potentiel est relié à l'activité de l'eau (on parle aussi de fugacité quand on considère une phase gazeuse), qui est elle même une fonction de la composition (la fugacité est fonction de la pression partielle, donc aussi de la composition). Il se trouve que l'activité de l'eau ne change quasiment pas entre l'eau pure et une solution très diluée (par exemple de l'eau saturée en azote, oxygène et dioxyde de carbone et faiblement minéralisée -pas de l'eau de régime quoi-). Il se trouve aussi que l'air (sec ou humide) est un gaz parfait, ce qui signifie que la fugacité des constituants y est égale à leur pression partielle et que donc, le potentiel chimique de l'eau en phase vapeur à une pression de partielle de n bar est approximativement le même que le potentiel chimique de la vapeur d'eau pure à une pression totale de n bar. Ainsi on peut considérer (en plus ou moins bonne approximation en fonction du domaine de pression/température, c'est à éviter quand on approche de la zone critique...) que le comportement de l'eau décrit par le diagramme unaire à une pression totale donnée P correspond au comportement d'une eau raisonnablement pure en contact avec l'atmosphère à une pression partielle pH2O=P.
Par ailleurs, on peut toujours (de façon abusive parfois) calculer la pression partielle correspondante au potentiel chimique de l'eau dans des conditions où il n'y a pas de vapeur du tout.

m@ch3

[A voir en vidéo sur Futura]