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état de l'eau selon la pression
-Bonjour, j'étais cette année en MPSI et ce post porte sur un point du cours que je comprend mal, à s'avoir le rapport entre la pression et l'évaporation d'un liquide "pur" (ici on va prendre de l'eau).
-Avant, je pensais que c'était la pression total qui s'exerçait sur l'eau qui comptait, mais ça collait pas car alors l'eau sur Terre dans les conditions de pression atm. et température usuelles, se trouvaient dans une stabilité liquide sur le diagramme pression/température. Mon prof m'a dit que c'était la pression partielle de vapeur d'eau qui comptait, et non la pression totale. Dans un premier temps pourriez vous me dire si ce que je dit est juste ou si j'ai mal compris.
-Il y a une chose que je comprend pas (mon raisonnement va surement vous paraître débile) : Si je prend de l'eau liq dans un récipient, peut-on dire que sur les couches d'eau qui se situe juste après la première en partant du haut (en considérant qu'il y a une infinité de couches empilées les unes sur les autres), la pression de vapeur est nulle dans la mesure où la pression qui s'y applique est la seul pression que la couche d'eau juste au-dessus exerce directement, elle-même sous pression de la couche d'eau du dessus ....etc ? Ainsi, la pression de vapeur serait nulle et l'eau devrait-être solide selon le diagramme P/T. Pourrait-on me dire pourquoi je dis des bêtises en disant ça ?
Bonjour Aroust
Dans un premier temps pourriez vous me dire si ce que je dit est juste ou si j'ai mal compris.
Oui : ton professeur a évoqué la loi de Dalton : un gaz parfait appartenant à un mélange de gaz parfaits se comporte comme s'il était seul, à la même température, en occupant la totalité du volume du mélange mais sous une pression égale à sa pression partielle. Aux pressions inférieures à la dizaine de bars, ce qui est le cas pour l'air humide, on peut assimiler la vapeur d'eau à un gaz parfait. Elle se comporte comme si elle était le seul gaz présent sous sa pression partielle. Si cette pression partielle est inférieure à la pression de vapeur saturante (pression d'équilibre liquide-vapeur à la température considérée) la vapeur d'eau est stable. Son point représentatif dans le diagramme (P,T) appartient au domaine de stabilité de la vapeur. Imagine un brutal refroidissement isobare de cet air humide : le point représentatif se déplace horizontalement vers la gauche dans le diagramme (P,T) et peut passer dans le domaine de stabilité du liquide : on obtient alors une liquéfaction : apparition de rosée, de brouillard, de nuage ; les situations sont variées et pas très simples à étudier dans le détail car la cinétique joue un rôle important.
Pourrait-on me dire pourquoi je dis des bêtises en disant ça ?
Lorsque la profondeur augmente dans l'eau liquide, la pression augmente et la température diminue faiblement pour se stabiliser aux grandes profondeurs au voisinage de 4°C : température correspondant au maximum de masse volumique de l'eau. Dans la mesure où, sauf aux pressions extrêmement élevées, la courbe d'équilibre solide - liquide du diagramme (P,T) est "presque" une verticale, le point représentatif de l'eau quand la profondeur augmente reste dans le domaine de stabilité du liquide.
Bonjour, merci pour vos réponses. En fait Vanoise je me suis peut-être mal exprimé sur mon dernier point, mais en gros ma conclusion était que la pression partielle de vapeur d'eau était nulle sur les couches d'eau situés en dessous de la surface puisque la pression qui s'exerce dessus est la seul pression de la couche d'eau du dessus, et non celle de la vapeur d'eau. Or si elle est nulle, l'eau ne peut alors pas être liquide.
Lorsque tu te places à l'intérieur du liquide, il n'y a pas de vapeur d'eau. Le point représentatif de l'état de l'eau dans le diagramme (P,T) appartient au domaine du liquide seul. Tu ne peux pas définir de pression pour un gaz (vapeur) qui n'existe pas !
C'est une situation différente de celle d'une vapeur sèche (vapeur seule) dont tu diminuerais progressivement la pression ; si tu diminues simultanément la température pour ne pas avoir un volume trop important, il est théoriquement possible de conserver de la vapeur jusqu'à une pression proche de zéro (température également proche de 0K ) si les points représentant successivement le système restent dans le domaine de stabilité de la vapeur seule.
En revanche, si tu diminues la température de la vapeur sèche de façon isobare à partir d'une pression inférieure à celle du point triple (611Pa), tu obtiens de la glace...
Si un corps pur est présent dans un seul état physique (une phase) : P et T peuvent évoluer indépendamment l'une de l'autre à l'intérieur du domaine de stabilité de cette phase.
Je vois, ça n'a donc pas de sens pour de la glace seule (par exemple) de parler de pression de vapeur.
Mais du coup mon diagramme P/T de stabilité de l'eau dans ces différentes phases est inexploitable, non ? Pourtant sur ce diagramme il y a bien une partie ou l'eau solide est stable ....donc je ne comprend pas bien, la stabilité dépend pourtant de la pression de vapeur et de la température d'après le diagramme, mais parler de pression de vapeur n'a pas de sens s'il n'y a qu'une phase solide. De plus, par exemple si je compresse très fort de la glace pour atteindre d'autres états solide, la pression de vapeur n'existe toujours pas, et pourtant on atteint d'autres phases solide de l'eau (cristalline il me semble). Là je dois avouer que je suis un peu perdu sur tout ça du coup. Pourriez-vous m'aider ?
Je vois, ça n'a donc pas de sens pour de la glace seule (par exemple) de parler de pression de vapeur.
Oui ! idem dans le domaine de stabilité du liquide seul.
donc je ne comprend pas bien, la stabilité dépend pourtant de la pression de vapeur et de la température
Non ! Je me demande si tes problèmes de compréhension ne viennent pas d'une mauvaise appréhension de ce que représente P dans ce diagramme. Ce n'est pas nécessairement la pression de vapeur : on ne peut pas définir une pression pour quelque chose qui n'existe pas !
Je résume :
En phase gazeuse : P désigne la pression de la vapeur si elle est seule ou la pression partielle de la vapeur d'eau si elle est mélangé à d'autres gaz assimilés à des gaz parfaits (air...)
En phase liquide : P désigne la pression en un point du liquide (pas la pression de vapeur).
En phase solide : la notion de pression en un point à l'intérieur du solide n'ayant pas de sens physique, il s'agit de la pression exercée sur la surface du solide par le milieu extérieur.
Si le point de coordonnées (P,T) appartient à un des trois domaines de stabilité, la phase est stable, sinon il y a changement d'état.
Si le point appartient à une des trois courbes, il y a équilibre entre deux phases. Si le point est le point triple, il y a équilibre entre les trois phases.
Je prends un exemple simple :
Soit P = 1atm=1,013bar et T = 298K ; ce point appartient au domaine du liquide seul. Dans ces conditions, l'eau est stable à l'état liquide. Imagine que tu places cette eau à l'intérieur d'un congélateur ; elle va subir un refroidissement isobare. Le point représentatif du système va se déplacer dans le diagramme horizontalement vers la gauche jusqu'à rencontrer la courbe d'équilibre liquide solide au point de coordonnées (1,013bar, 273,15K) ; l'eau va alors se solidifier et la température restera fixe (373,15K) tant que les deux phases seront en présence. Une fois la solidification achevée, le point représentatif du système se déplacera encore horizontalement vers la gauche, donc dans le domaine de la glace seule jusqu'à ce que celle-ci atteigne la température de l'intérieur du congélateur maintenue fixe (255K environ). La vapeur d'eau n'intervient pas ici !
Essaie de bien comprendre cela puis reprends les autres exemples d'utilisation du diagramme exposés dans mes messages précédents.
Il est vrai que, selon la température et la pression, la glace peut exister sous différentes variétés cristallines... Il est vrai aussi qu'aux pressions très élevées, très supérieures à la pression critique, le diagramme se complique, mais tout cela n'est pas à ton programme... Commence par bien assimiler les fondamentaux...
En fait j'ai très bien compris la deuxième partie de ta réponse 
. En effet mon problème vient très probablement d'une mauvaise appréhension de ce que représente P dans ce diagramme. Bon admettons que ce que tu dis est vrai, qui est ce que je pensais au départ aussi (c'est pas que je te crois pas au contraire, je te montre juste le point qui fait que je comprend mal). je prend de l'eau liquide dans une bouteille et je la verse par terre. L'eau va s'évaporer, pourtant dans les conditions usuelles de pression et température (1 013,25 hPa et a peu près 20 degrés Celsius ) , l'eau se situe clairement dans le domaine de stabilité liquide. De plus on m'a dit plus haut, que c'est parce que c'était la pression partielle de vapeur d'eau qui comptait. Mais tu viens de me dire que c'est juste la pression extérieur.
Le diagramme (P,T) d'applique a priori au cas d'un corps pur. Imagine un récipient initialement vide d'air aux parois conductrices de la chaleur, dans lequel tu injectes un volume d'eau liquide inférieur au volume du récipient. Une partie du liquide va se vaporiser de façon à conduire à un état d'équilibre diphasé dont le point représentatif dans le diagramme sera sur la courbe d'équilibre liquide vapeur : 23,4hPa,20°C. La pression dans le récipient sera 23,4hPa à 20°C.
La situation se complique un peu en présence d'air : imagine une bouteille fermée contenant de l'eau liquide et de l'air, celui-ci contenant un peu de vapeur d'eau. La pression totale est 1013hPa à 20°C. L'équilibre entre les deux phases n'est possible que si le point représentatif du système dans le diagramme appartient à la courbe d'équilibre liquide vapeur, point de coordonnées(23,4hPa,20°C). De l'eau liquide va dont s'évaporer jusqu'à ce que la pression partielle de la vapeur dans l'air atteigne la valeur d'équilibre 23,4hPa. Ce phénomène d'évaporation est relativement lent. Si maintenant la bouteille reste ouverte, l'évaporation du liquide va être totale et lente car la quantité de liquide est insuffisante pour que la pression partielle de vapeur d'eau atteigne la valeur d'équilibre. Je viens de te décrire le principe des marais salants... Dans certains pays équatoriaux, chauds et humides, l'air atmosphérique est souvent naturellement presque saturée en vapeur d'eau. Si le climat est tempéré ou froid, la cinétique de l'évaporation est tellement lente que l'équilibre entre le liquide et la vapeur n'est jamais atteint. Ce déséquilibre est mesuré par ce que les météorologues appellent "degré hygrométrique" : c'est le rapport (Pression partielle de la vapeur d'eau)/(Pression d'équilibre). 100% correspond à la situation d'équilibre : on dit alors que l'air est saturé en vapeur d'eau. Plus l'air est sec, plus le degré hygrométrique est faible.
Ah ok je comprend mieux du coup Je te remercie vraiment pour ta patience. Encore une chose, du coup quel(s) est/sont le(s) principe(s) physique responsable de l'ébullition de l'eau ?
Par contre je vois pas bien ce que tu appelles point représentatif du système ? Car quand on met l'eau dans la bouteille, un peu d'air ambiant au dessus (donc c'est l'expérience dont tu m'a parlé), l'eau initialement à la pression que l'air exerce dessus (pression atmosphérique) et à 20 degré, donc est bien dans le domaine de stabilité liquide. Et l'eau gazeuse dans l'air quand à elle se trouve à un pression un peu au dessus de celle de la pression partielle de l'air dans l'air ambiant étant donné qu'en la mettant dans la bouteille, l'eau gazeuse est un peu plus compressé. Les deux phases sont donc chacune en équilibre, pourquoi dit tu qu'il n'y a pas équilibre ?
Les deux phases sont donc chacune en équilibre, pourquoi dit tu qu'il n'y a pas équilibre ?
Imagine une phase 1 seule en état d'équilibre à (P1,T1), le point représentatif de cette phase dans le diagramme(PT), c'est à dire le point de coordonnées (P1,T1) doit appartenir au domaine de stabilité de la phase 1 seule. Suppose une paroi étanche séparant cette phase 1 d'une phase 2 du même corps pur, elle aussi en équilibre à (P2,T2). Suppose maintenant que tu enlèves la parois pour mettre les deux phases en contact : il n'y a plus d'équilibre ! Le système va évoluer spontanément par changement d'état, changement de pression et éventuellement de température vers un nouvel état d'équilibre qui correspondra à un point (P3,T3) situé sur la courbe d'équilibre entre les deux phases.
Imagine maintenant un verre rempli d'eau liquide posée sur une table. Tu te trouves face à une situation que tu rencontreras souvent , surtout en chimie : une situation de déséquilibre du point de vue thermodynamique mais une situation où l'évolution vers l'état d'équilibre est tellement lente qu'à court terme, le déséquilibre est imperceptible. En effet : il n'y a équilibre que si la pression partielle de vapeur d'eau dans l'air est égale à la pression d'équilibre : ordonnée du point de la courbe d'équilibre liquide-vapeur à la température de l'expérience (le point représentatif du système à l'équilibre entre les deux phases précédemment évoqué). En pratique, sauf en cas de météo particulièrement chaude et humide, cette condition d'équilibre n'est pas réalisée mais ce n'est pas pour cela que tu vas voir le verre se vider par évaporation à vue d'œil ! Par exemple : il faut plusieurs mois pour évaporer l'eau d'un marais salant ! La cinétique de l'évaporation est assez complexe. La présence de vent y joue un rôle important mais difficile à quantifier.
Remarque : l'essentiel pour toi est de bien comprendre l'utilisation du diagramme dans le cas de l'eau (ou d'un corps pur quelconque) sous une, deux ou trois phases. Les complications apportées par la présence de l'air seront plus faciles à comprendre l'année prochaine quand tu auras étudié la notion de potentiel chimique...
Ok très bien, admettons que mon systeme physique va tendre vers un état d'équilibre, donc pour ma bouteille avec de l'eau et de l'air, il va y avoir un nouvel équilibre qui va se former pour atteindre un point (P3,T3) (si j'ai bien compris ce que tu m'as dis), mais pourtant l'eau liquide dans ma bouteille est soumise à la pression de l'air (azote+oxygene). Donc admettons que de l'eau liquide va s'évaporer, la pression de l'eau liquide va augmenter, ainsi que la pression de vapeur d'eau. Mais il y a toujours la pression de l'air qui fait pression sur l'eau liquide, si bien qu'il est impossible que l'eau liquide soit à la même pression que la phase gazeuse.
Je n'ai pas été tout à fait précis :tout le raisonnement de la première moitié de mon message précédent suppose l'absence d'air : ce raisonnement est seulement valide pour un corps pur . C'est la seule situation à ton programme.
Dans le cas de la présence d'air : attends la démonstration rigoureuse qui te sera faite l'an prochain à partir des potentiels chimiques. Retiens si tu veux que dans ce cas, l'équilibre est atteint lorsque la pression partielle de la vapeur d'eau dans l'air est égale à la pression d'équilibre liquide vapeur à la température de l'expérience.
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