QUESTIONS SUR LE CHANGEMENT D ÉTAT LIQUIDE GAZ POUR L EAU RÉPONSES

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1 QUESTIONS SUR LE CHANGEMENT D ÉTAT LIQUIDE GAZ POUR L EAU 1) Si on chauffe uniformément à 80 0 C un récipient fermé plein d eau, est-ce qu une partie de l eau se change en gaz (comme dans le fond de la casserole à l air libre) 2) À température ambiante pour une hygrométrie de 60% à une pression moyenne donnée, sait-on sur 100 molécules combien il y a de molécules d azote, d oxygène et d eau? 3) Est-ce que (pour une pression donnée) : de même qu on peut dire qu audessus d une certaine température (nommée )l eau ne peut plus être liquide, on peut dire qu au-dessus d une certaine température (nommée 0 0 )l eau ne peut plus être solide? Autrement dit, est-ce que ces deux changements d état fonctionnent pareil? 4) liée à la 3)Est-ce que ce sont les mêmes liaisons (peut-être avec des intensités différentes???) ou des liaisons différentes qui lient les molécules de l état liquide et de l état solide? Autrement dit, est-ce que ce sont certains types de liaisons qui sont cassées lors du passage solide-liquide et du passage liquide-gazeux? RÉPONSES C est génial de passer très longtemps à regarder une casserole d eau bouillante et de voir que le niveau baisse. Ce n est pas du temps de perdu, ils s en souviendront. Question 1- Si tu chauffes uniformément à 80 0 C un récipient fermé plein d eau, il ne se passe rien; en effet, quand il se forme des bulles de vapeur au fond du récipient quand il est à 80 0, en fait, la température n est pas homogène ; elle est de au fond, là où se forment les bulles. Les bulles commencent à monter et disparaissent aussitôt par liquéfaction de la vapeur là où la température ets inférieure à 100 0, et la disparition brutale de ces bulles provoque de petits claquements qui font que l eau chante. Si tu chauffe au dessus de un récipient d eau fermé, il se forme des petites bulles de vapeur, mais comme le volume ne peut pas augmenter, la pression monte tout de suite, ce qui fait que la production de vapeur cesse aussitôt, la température d ébullition de l eau dépendant de la pression. Si on continue à chauffer, la pression va tellement augmenter que le récipient va exploser. 1

2 Question 2- PV = N N RT : P pression; V volume ; N nombre de molécules ; N = ; R constante des gaz parfaits ; T = t température absoolue. À V et T constants, la pression d un gaz est donc proportionnelle au nombre de molécules. La pression d un gaz dans un mélange est dite pression partielle, et est comptée comme s il était seul. t = % d humidité p vapeur d eau = 0.6 p eau saturante = hpa = 14 hpa. P N2 +O 2 = 14 = 999 p N2 = = p O 2 = = Ramenons à 100 en multipilant par 100 ; donc, 100 molécules donnent : = 1 molécule d eau = 20 molécules de O 2 et 79 molécules de N 2. Question 3- Oui, c est exact; cependant les deux changements d état ne fonctionnent pas tout à fait pareil. a) En effet, la température de fusion de la glace ne dépend pratiquement pas de la pression, alors que la température d ébullition de l eau dépend beaucoup de la pression. Cela est dû au fait que le volume varie très peu quand on passe de la glace à l eau, et beaucoup quand on passe de l eau à la vapeur. b) Il n y a pas de retard à la fusion de la glace, car tout morceau de glace, même à une température très négative, est recouvert d une pellicule d eau liquide, et c est à cause de cela que la glace et la neige glissent. Par contre il peut y avoir un retard à l ébullition pour l eau liquide, qui peut être à par exemple sans bouillir; mais le moindre choc déclenche une ébullition explosive. C est pour cela qu il est très dangereux de faire chauffer un verre ou un bol d eau au four à micro-onde, car on peut prendre un bol d eau calme à 110 0, et l eau explose à la figure quand on la prend. On peut être défiguré. Ce retard à l ébullition est utilisé au CERN avec du propane liquide. Au passage d une particule chargée, il se produit une ligne de petites bulles de vapeur qui marque la trajectoire de la particule. Ce problème ne se pose pas avec l eau chauffée classiquement, car, comme elle n est pas chauffée d une manière homogène, il se produit des courants de convection qui agitent l eau et empêchent le retard à l ébullition de se produire. c) Au delà de pour l eau, le liquide ne peut plus exister. En effet, quand on chauffe dans un récipient clos de l eau avec sa vapeur, quand la température 2

3 augmente, à cause de la dilatation, les molécules du liquide s éloignent les unes des autres, tandis que, à cause de l augmentation de la pression, les molécules de la vapeur se rapprochent. À pour l eau, les molécules sont à la même distance dans le liquide et la vapeur qui sont indistinguables, et qui ont la propritété d un gaz très comprimé. d) D autre part, quand la pression est inférieure à hpa, l eau bout à une température inférieure à Si la pression est suffisamment basse, l eau peut bouillir à 0 0. C est la pression du point triple. Pour une pression plus basse, l eau liquide ne peut pas exister, car pour l obtenir, il faudrait faire fondre un glaçon, mais l eau produite à 0 0 bout aussitôt. La pression sur Mars est exactement celle du point triple de l eau : en effet;,, si elle est inférieure, l eau liquide n existe pas, et le CO 2 qui se dégage des roches fait lentement monter la pression. Si la pression est supérieure à celle du point triple, le CO 2 se dissout dans l eau liquide pour former des carbonates, et la pression diminue! Question 4- Ce sont le mêmes liaisons! Cela pose effectivement un problème : comment la même liaison peut se casser deux fois de deux manières différentes! En fait, elle ne se casse qu un fois, quand on passe du solide au liquide ou du solide au gaz. Mais même une fois que les molécules se sont éloignées, elles s attirent encore, et cette attraction qui tend à les rapprocher, joue le rôle, dans le modèle de Van der Waals qui mène à l équation du même nom, d une espèce de pression supplémentaire qui s ajoute à la pression usuelle et qui est d autant plus forte que les molécules sont près les unes des autres et s attirent! Si la pression est faible, cette pression supplémentaire n est pas suffisante pour agir, et quand les molécules du solide se décrochent, elle deviennent directement les molécules d un gaz. Mettons maintenant dans un bocal clos, sous forme de gaz, de l eau par exemple. La pression peut être telle, que ajoutée à la pression fictive due à l attraction des molécules, les molécules viennent se rassembler en un gaz très comprimé qui est en fait un liquide. Mais ceci se produisant, il y a alors très peu de molécules dans ce qui reste du vrai gaz ; là, les molécules sont très loin les unes des autres, et la pression fictive disparaît. On a le liquide en coexistence avec le gaz. En réalité, on a à un endroit un gaz trè comprimé sous forte pression : le liquide! Et à un autre endroit un gaz sous faible pression le gaz! Mais comment se fait-il que la pression ne soit pas la même partout! En réalité elle l est, mais dans la partie gaz très comprimé : le liquide, il faut ajouter la pression due à l attaction des molécules qui là est élevée, puisque les molécules sont proches! 3

4 Si la température est trop élevée, pour avoir le liquide, il faut alors une pression tellement élevée que la pression due à l attaction des molécules ne joue aucun rôle, elle devient négligeable! Il n y a alors plus de distinction entre le liquide et le gaz, puisque la pression fictive due à l attaction des molécules qui pouvait faire cette distincion, devient négligeable devant la pression réelle. 4

5 Table de pression maximale de la vapeur d'eau en dixièmes d'hectopascals 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,