Azote liquide

[Rails31]

Bonsoir, je me pose une question depuis quelques temps :
Prenons de l'azote liquide maintenu sous pression dans une bombonne de gaz hermétique et NON isolée( la bombonne est supposée pleine à 100% d'azote liquide et indilatable) Si l'on expose l'azote liquide à une source de chaleur :
- l'agitation augmente t'elle ?
- la température de l'azote liquide augmente t'elle au dessus de son point d'ébullition ?
- l'azote liquide arrive t'il à se transformer en gaz ? (J'imagine que non...)
En bref, la question est de savoir s'il est possible d'obtenir de l'azote liquide au dessus de son point d'ébullition ?
Cela fonctionne sans problème avec de l'eau sous pression que l'on peut chauffer à 200°C par exemple en la maintenant liquide alors je voudrais savoir si oui ou non, l'azote liquide réagit de la même façon.
Cordialement
Rails
-----

[Sethy]

Oui et non car la question est mal formulée.

La t° d'ébullition d'un corps pur n'est pas constante et dépend de la pression. D'ailleurs on parle toujours d'une t° d'ébullition à une p donnée. Par exemple, l'eau avec une pression d'une atmosphère bout à 100°C. Mais à 20mmHg (pour rappel, pAtm = 760 mmHg), l'eau "bout" aux alentours de 20°C.

Ici, tu supposes le récipient totalement indéformable, donc c'est compliqué d'imaginer ce qu'il peut se passer. Malgré tout la p interne du liquide va augmenter.

Mais il existe un autre comportement au-delà d'un point critique qui fait que le liquide ne peut plus être distinguer d'un gaz. La pcritique est d'une trentaine d'atmosphère avec une t° supérieure à -146°C.

Info supplémentaire : https://fr.wikipedia.org/wiki/Fluide_supercritique

[Rails31]

Merci pour votre réponse rapide, donc si j'ai bien compris, en chauffant ma bombonne d'azote liquide, je vais augmenter sa pression et sa température. Cependant lorsque la pression et la température deviennent trop élevées, l'azote se transforme en fluide supercritique... C'est ça ?
Rails31

[XK150]

Salut ,

Dans un réservoir étanche à la température ambiante ( 20°C) , l'azote liquide à -196° , va peu à peu se transformer en vapeur ,
le total restant à -196° tant qu'il reste une goutte de liquide .
Comme 1L d'azote liquide donne 650 à 700 L de gaz , selon les conditions de départ dans le réservoir ( volume libre ), la pression atteindra 700 à 3000 bars ,
avant l'évaporation de la dernière goutte .
Est ce encore utile d'aller au point critique ?

http://www.dr17.cnrs.fr/DL/dr/2005/001.pdf

[A voir en vidéo sur Futura]

[Rails31]

D'accord mais si le réservoir est plein ? Si il n'y a pas d'espace "libre", l'azote se transformera en gaz, restera - t - il liquide sans se réchauffer ou en se réchauffant ?
Merci de vos réponses
Rails

[XK150]

Re ,

Peu importe le volume présent , à -195° tout l'azote liquide sera transformé en gaz qui sera aussi à -195°c : 650 L de gaz devront prendre la place de 1 L de liquide .
Et maintenant si le container est toujours à la température ambiante , le gaz azote va commencer à se réchauffer ...

Quand on achète une bouteille standard de gaz comprimé azote à 200 bars ( à l'ambiante ) du commerce , c'est strictement du gaz sans un mg de liquide .
Dès que vous utilisez cette bouteille neuve , la pression initiale de 200 bars commence à baisser , vous pouvez le constater sur le manomètre primaire du détendeur ,
ce qui prouve bien qu'il n'y a absolument pas de liquide .

Attention , c'est différent pour le butane , le propane , le GPL , chlore , ammoniac , acétylène , ... , qui eux sont liquides à température proche de la température ambiante ,
avec une pression de vapeur relativement faible ,ce qui permet de conserver cette phase liquide-gaz dans un réservoir étanche qui ne nécessite pas de tenir une forte pression .
A 30°C , la phase liquide-gaz du butane est à 2.8 bars absolus dans sa bouteille étanche du supermarché : au début , vous avez en majorité du butane liquide avec
un ciel de gaz à 2.8 bars au-dessus . Et tant que vous l'utilisez , elle vous fournit du gaz à 2.8 bars jusqu'à la dernière goutte de butane liquide .
Après la dernière goutte passée en vapeur , la bouteille est vide !

Ces différents comportements embrouillent souvent un certain nombre de personnes ...

[Opabinia]

Bonjour,

L'argumentation de XK150 paraît sans appel, indépendamment de toute vérification des données:

Dans un réservoir étanche à la température ambiante ( 20°C) , l'azote liquide à -196° , va peu à peu se transformer en vapeur ,
le total restant à -196° tant qu'il reste une goutte de liquide .
Comme 1L d'azote liquide donne 650 à 700 L de gaz , selon les conditions de départ dans le réservoir ( volume libre ), la pression atteindra 700 à 3000 bars

Un réservoir étanche contenant de l'azote liquide et non isolé thermiquement est promis à l'explosion.
Que le fluide présent se comporte ou non comme un gaz parfait, qu'il soit parvenu dans un état supercritique ne change rien à l'affaire.

[XK150]

Re ,

Le 3000 bars est un peu olé , olé , vapeurs de réveillon ...
Le calculateur Air Liquide ( la société ... ) donne 680 L de gaz TPN pour 1 L d'azote liquide .
Donc , la pression à l'ambiante serait de l'ordre de 680 bars maximum .
Entre temps , on aurait passé le point critique de l'azote donné par Sethy au post 2 , mais ceci ne change rien au résultat précédent .

[Rails31]

Bonjour, d'accord, merci à tous pour vos réponses 😁
Rails

[Sethy]

Je persiste à dire que les explications données ne sont pas les bonnes étant entendu les contraintes posées.

Je ne vois pas en quoi la t° d'ébullition sous 1 atmosphère constitue un "seuil" physique pour l'azote. Ce n'est qu'un hasard que la p atmsophérique soit de 760 mmHg.

Dans un récipient étanche, la valeur de la patmosphérique ne joue aucun rôle.

Parce qu'excusez-moi, mais pour avoir comme il est précisé dans l'énoncé de l'eau liquide à 200°C ... ben il faut un récipient qui a une certaine résistance.

Mais bon, qui suis-je ...

[XK150]

@ Sethy ,

Je ne pense pas avoir écrit vraiment le contraire ( même si j'ai simplifié ) puisque j'annonce 680 bars environ dans le container à l'ambiante , vrai ou faux ? A démontrer .
De -196° à -147 ° , l'azote s'évapore et la pression évolue et augmente .
Le réchauffement se poursuit , la pression continue à augmenter et l'azote est maintenant dans sa phase super critique , ce qui ne change RIEN .
Etes vous d'accord ? C'est bien ce que vous décrivez dans votre post 2 .
Question : quelle sera la pression finale du container à 20 ° C ?

[Sethy]

Selon moi, de -196° à -147°C, l'azote reste totalement liquide. La pression augmente effectivement comme celle de tout liquide qui se dilate.

Soit la pression interne atteint ou dépasse le pression critique et alors, effectivmeent, l'azote devient supercritique. Soit, il reste liquide.

Pour connaitre la p(finale) il faudrait connaitre le coefficient de dilatation volumique de l'azote.

L'équivalent de cette expérience pour l'eau est de considéré non pas une casserole à pression "classique", mais une casserole à pression totalement remplie d'eau, c'est à dire sans air au début du chauffage et donc, sans aucune place pour la vapeur. Dans ces conditions, quelle serait la pression à 200°C ?

Du reste, ce n'est pas hypothétique et il suffit de considérer les réacteurs nucléaires de type PWR où l'eau est portée à 328°C et reste liquide avec une pression de 150 bars (150 atmosphères). Ici, en aucun cas, il y a apparition de la moindre "bulle" de vapeur (caléfaction), ce qui serait catastrophique en raison de la faible conduction thermique de la vapeur d'eau en regard de celle du liquide Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A...essuris%C3%A9e

[XK150]

Alors , selon moi ,

De -196° à - 147 ° , si la pression augmente , c'est bien à cause d'une part d'azote liquide qui s'évapore .Et non pas seulement dilatation .
Puisqu'il y a toujours apport de chaleur , l' évaporation continue , la pression augmente et TOUT l'azote devient gazeux à partir de - 147°, même si une partie est super critique ,
il ne reste plus du tout d'azote liquide . Nous sommes bien d'accord : l'azote supercritique N'EST PAS de l'azote liquide .

La preuve du contraire ? Il est impossible d'obtenir de l'azote liquide , s'il n'est pas comprimé en dessous de la température de -147° .

[Tawahi-Kiwi]

Un réservoir étanche contenant de l'azote liquide et non isolé thermiquement est promis à l'explosion.

Tout depend de l'installation. Une bonne partie de mon travail experimental consistait a etudier le point critique silicate-H₂O a 50000 bar et ~1300ºC. Evidemment le reservoir etanche n'est pas bien grand (8mm de long, 1,5mm de diametre). Et ce n'est pas particulierment extreme, Avec certains appareillages, monter a 1000 voire 5000 kbar en statique est possible.

Soit la pression interne atteint ou dépasse le pression critique et alors, effectivmeent, l'azote devient supercritique. Soit, il reste liquide.

Ma maniere de voir les choses (a des conditions beaucoup plus extremes que j'ai mentionne ci-dessus mais le principe est le meme je suppose), la supercriticalite est obtenue lorsque la densite de l'azote gazeux est equivalente a la densite du liquide. il en decoule un pression et une temperature pour ce point.
Quand on fait des experiences de criticalite en geologie (tres courant pour des systemes CO2-H2O-NaCl) dans des recipients etanches (inclusions fluides dans les mineraux). on chauffe, il y a deux phases, liquide avec sa bulle de gaz, la bulle grossit, mais il arrive un moment ou tout s'homogenise. Quand tout est homogenise, je rejoins XK150, ce n'est ni liquide, ni gazeux, d'ailleurs le comportement du compose est different

T-K

[XK150]

@ T-K

Exactement , et simple : vous ne verrez jamais l'azote super critique bouillir si vous relâchez la pression au -dessus , il s'évapore , c'est tout : c'est avant du gaz fortement comprimé .
Tandis que pour l'azote liquide , on voit clairement se former les bulles de gaz à l'intérieur du liquide .

[Sethy]

Quid du cas du réacteur PWR. C'est exactement la même situation. Selon vos explications, l'eau devrait se retrouver sous forme de vapeur puisque la t° dépasse 100°C. Or ce n'est pas le cas.

Autre cas de figure. Imaginons deux planètes où la "patm" est soit de 0,5 bars soit d'1,5 bars. Dans ce cas, la t° d'ébullition de l'azote n'est plus de -196°C sous conditions normale de pression sur ces planètes.

Selon moi, conduire l'expérience sur terre ou sur n'importe laquelle de ces deux planètes va conduire exactement à la même pression finale. Qu'en est-il, selon vous ?

[XK150]

Oui , que l'azote liquide pris pour l'expérience soit à -196° est un hasard dû à notre pression atmosphérique ,
mais le fait de chauffer le transforme en gaz . A un autre intervenant ...:

" As mentioned above density of liquid nitrogen at atmospheric pressure is c. 0.8g/cm3 or 800Kg/M3.

Thus 1 litre of Liquid N2 is about 800g

Warm up to room temperature and I know I should have 22.4 litres of gas at STP (Standard temperature and pressure) for each mole. Nitrgoen molecules (N2) have an atomic mass of 28, so I have 28.6 moles of gas at STP.

28.6 moles of gas at STP would like to occupy 28.6 x 22.4 litres = 640.6 litres.

I'm going to squash that in a one litre container, so the pressure comes from PV/T = constant (As long as we stay well above Tc).

T here is the same so P must be 640.6 bar-g. (about 9,300 psi) "

On ne peut pas avoir un container à T ambiante contenant de l'azote liquide , non , c'est impossible .

[Opabinia]

Un réservoir étanche contenant de l'azote liquide et non isolé thermiquement est promis à l'explosion.
Que le fluide présent se comporte ou non comme un gaz parfait, qu'il soit parvenu dans un état supercritique ne change rien à l'affaire.

Je parlais du récipient ordinairement utilisé pour le transport de l'azote liquide, dont les parois quasi-adiabatiques sont conçues pour limiter au maximum l'échauffement du contenu, et qui comporte une libre communication avec l'extérieur, afin de permettre le lent échappement du gaz et de maintenir une pression constante, égale à la pression extérieure.

On peut évidemment concevoir une enceinte étanche, dont les parois sont capables de supporter sans rupture une pression de 800 ou 1000 bar.

L'évolution du contenu initialement à l'état liquide est alors représenté, sur un diagramme de Clapeyron, par le segment vertical (M₀M).

[Sethy]

La pièce jointe ne sera disponible que demain, mais c'est effectivement mon point de vue.

[Tawahi-Kiwi]

il s'évapore , c'est tout : c'est avant du gaz fortement comprimé .

Je ne peux pas m'avancer pour l'azote, mais l'H₂O supercritique ne se comporte pas entierement (chimiquement) comme un gaz fortement comprimé.
D'un point de vue purement physique par contre, je suppose que oui.

T-K

[Opabinia]

L'eau présente un comportement physique analogue, au changement près concernant les données caractérisant son comportement thermoélastique (point triple, et surtout point critique).

Ce que l'on observe par contre, c'est une augmentation de l'autoprotolyse de la substance, et surtout une augmentation de son pouvoir dissolvant à température et sous pression élevées. Ceci explique le rôle géologique majeur du fluide supercritique circulant dans les roches - mais on sort ici du sujet.

La silice se dissout très partiellement dans l'eau pure sous la forme de Si(OH)4 l'acide silicique (acide faible). La limite de solubilité étant de 0,140 g·L-1 à 25 °C. Cette solubilité augmente très fortement avec le pH (formation d'ion silicate, par la présence d'alcali dans une eau en bouteille), la température et la pression ; ainsi cette solubilité atteint 20 % dans l'eau supercritique à 500 °C et 1 000 bar.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Silice

[Tawahi-Kiwi]

Ce que l'on observe par contre, c'est une augmentation de l'autoprotolyse de la substance, et surtout une augmentation de son pouvoir dissolvant à température et sous pression élevées. Ceci explique le rôle géologique majeur du fluide supercritique circulant dans les roches - mais on sort ici du sujet.

Mieux que cela, a une vingtaine de milliers de bars il n'y a plus de distinction entre de la silice liquide et l'eau supercritique. L'un se dissous dans l'autre en toute quantite (pas que la silice d'ailleurs plein d'autres choses se passent a des pressions encore plus elevees). Mais on est hors du sujet en effet. Je n'abordais cela, juste parce que je m'etais jamais pose la question de savoir si ces changements (dans une certaine mesure) etaient propres a tout les fluides supercritiques, dont le N₂.

T-K

[XK150]

Re ,

Maintenant je suis d'accord avec vous tous : tout l'azote est à l'état supercritique dans le container , il est impossible de donner une valeur de pression .

[Opabinia]

Soit un échantillon de diazote pur, confiné dans une enceinte étanche et initialement maintenu sous une pression de 1 bar, à la température de l'équilibre liquide-vapeur (-196°C).

Les segments verticaux (M₀M) et (M₄M'₄) représentent l'échauffement isochore de l'échantillon monophasé, qu'il soit liquide (V₀ = V_liq) ou gazeux (V₄ = V_gaz); on n'observe alors aucune transition de phase.

Si le liquide et le gaz sont initialement présents, l'évolution résultant d'un échauffement isochore (toujours représentée par un segment vertical) dépend de leurs proportions:
a) si le volume massique moyen du mélange est inférieur au volume critique (V₁ < V_c), on observe la disparition de la vapeur (phase la moins dense) au point (K₁);
b) si le même volume massique dépasse la valeur critique (V₃ > V_c), on observe la disparition du liquide (phase la plus dense) au point (K₃);
c) dans le cas très particulier où le volume moyen est égal au volume critique (V₂ = V_c), les deux phases finissent par se confondre au point (C), où la température de transition est maximale (T = T_c); on y observe la disparition d'un brouillard, l'égalité des volumes massiques (V_liq = V_gaz = V_c) supprimant la décantation par gravité.

[Sethy]

Quid alors si dès le départ, il n'y a pas de phase vapeur ?

[Sethy]

Ok, je n'avais pas bien lu le début.