Physique · Thermodynamique

Changements d'état et diagrammes de phase

La glace fond à température fixe, l'eau bout plus bas au sommet de l'Everest, la neige carbonique passe directement au gaz. Tous ces faits tiennent sur une seule carte : le diagramme pression-température.

Une phase est une forme homogène de la matière : solide, liquide ou gaz. Un changement d'état est le passage de l'une à l'autre. Les mêmes molécules s'y retrouvent, seule leur organisation change. Il y a six passages, et chacun a son nom.

Flèches rouges : il faut fournir de la chaleur. Flèches bleues : le corps en rend autant. Dans le langage courant, la « condensation » désigne souvent le passage du gaz au liquide ; en physique, on dit plutôt liquéfaction.
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Que se passe-t-il quand on chauffe un corps pur ?

On chauffe régulièrement, et la température monte. Puis elle s'arrête, tant que dure le changement d'état : toute la chaleur reçue sert alors à séparer les molécules. Ces paliers dépendent de la pression, au point que certains peuvent disparaître.

Température de 1 kg selon la chaleur reçue. Les paliers horizontaux sont les changements d'état ; le point noir suit l'expérience.
Le contenu du récipient, à pression maintenue constante par un piston : bleu foncé, solide ; bleu, liquide ; points orange, gaz.
Température, état actuel
Fusion : température / chaleur latente
Vaporisation : température / chaleur latente
Chaleur totale / part des paliers
Durée avec 1 kW de chauffage
Essayez trois pressions. À 1 atm, l'eau a ses deux paliers. Sous 612 Pa, le palier du liquide disparaît : la glace se sublime, comme le linge qui sèche gelé. Le CO₂ fait l'inverse de notre intuition : à la pression ordinaire, il se sublime toujours ; pour le voir fondre, il faut dépasser 5,2 bar. Le palier d'ébullition raccourcit aussi quand la pression monte, jusqu'à disparaître au point critique.

L'évaporation a lieu à la surface, à toute température, tant que l'air n'est pas saturé. L'ébullition commence quand des bulles de vapeur peuvent se former dans le liquide : il faut que la pression de vapeur saturante égale la pression extérieure.

À droite, la pression de vapeur saturante de l'eau en fonction de la température ; le trait horizontal rouge est la pression extérieure : quand la courbe le croise, l'eau bout.
Pression de vapeur saturante
Pression partielle de vapeur dans l'air
Point de rosée
Ce qui se passe
Le linge sèche à 20 °C. Il n'a pas besoin de bouillir : il suffit que l'air soit loin de la saturation. À 100 % d'humidité, autant de molécules reviennent qu'il n'en part. Le point de rosée est la température à laquelle il faudrait refroidir l'air pour que sa vapeur se liquéfie : c'est la buée sur une vitre froide.
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Où passe la chaleur pendant le palier ?

La chaleur latente L est la chaleur à fournir, à température et pression constantes, pour faire changer d'état 1 kg de matière : Q = m·L. Elle sert à défaire les liaisons entre molécules et, pour une vaporisation, à repousser l'atmosphère. Le mot « latente » signifie cachée : le thermomètre ne la voit pas.

L'état final du mélange, une fois l'équilibre atteint, dans un récipient parfaitement isolé.
Enthalpie du mélange, en supposant le tout à la température T. La marche à 0 °C est la fusion. L'isolation impose H constant (rouge) : l'équilibre est au croisement.
Température finale
État final : glace / eau
Chaleur de fusion mise en jeu
Contrôle par dichotomie sur H(T)
La glace refroidit surtout en fondant. Faire fondre 1 kg de glace demande 333,6 kJ : de quoi chauffer 1 kg d'eau de presque 80 K. C'est pourquoi un glaçon à 0 °C rafraîchit bien mieux que la même masse d'eau à 0 °C. Essayez beaucoup de glace très froide et peu d'eau : c'est l'eau qui gèle.
Chaleur latente le long de la courbe de vaporisation (CoolProp). Bleu : énergie pour séparer les molécules, Δu. Violet : travail pour repousser l'extérieur, P·Δv. Le total s'annule au point critique.
Pression de saturation
Chaleur latente L
Δu : séparer les molécules
P·Δv : repousser l'extérieur
Contrôle : L − Δu − P·(1/ρv − 1/ρl)
Plus de palier au point critique. Plus on monte en température, plus liquide et vapeur se ressemblent, et moins il en coûte de passer de l'un à l'autre. Au point critique, ils ne font plus qu'un : L = 0. Vers 100 °C, le travail contre l'atmosphère ne représente qu'environ 7,5 % de la chaleur latente de l'eau ; presque tout sert à séparer les molécules.

Vaporiser, c'est gagner beaucoup de désordre. L'entropie de vaporisation à la pression ordinaire, ΔS = M·L/Téb, vaut à peu près la même chose pour beaucoup de liquides : environ 85 J·mol⁻¹·K⁻¹. C'est la règle empirique de Trouton (1884). Ses écarts sont instructifs.

Entropie molaire de vaporisation à 1 atm selon la température d'ébullition, en échelle logarithmique. Pointillés verts : 85 J·mol⁻¹·K⁻¹.
Lire les écarts. L'eau, l'éthanol et l'ammoniac dépassent la règle : leurs liaisons hydrogène ordonnent le liquide, si bien que vaporiser y crée plus de désordre. Le benzène, l'hexane et le toluène, sans liaisons hydrogène, tombent juste sur la règle. Les liquides des très basses températures sont au-dessous, et le dihydrogène très au-dessous, à cause d'effets quantiques. Les chaleurs de fusion du tableau sont nettement plus faibles que les chaleurs de vaporisation : fondre ne casse qu'une partie des liaisons.
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Comment lire le diagramme pression-température ?

Chaque point du plan (T, P) correspond à un état d'équilibre. Trois courbes séparent le solide, le liquide et le gaz : sur une courbe, deux phases coexistent. Elles se rejoignent au point triple, où les trois coexistent. La courbe de vaporisation s'arrête net au point critique : au-delà, la différence entre liquide et gaz n'existe plus.

Pression en échelle logarithmique. Faites glisser le point noir. Rouge : point triple. Violet : point critique.
Une image de l'organisation des molécules à l'endroit choisi. Elle ne montre pas de vraies positions.
État
T / P
À cette pression : changement d'état à
Point triple
Point critique
La pente qui change tout. La courbe de fusion de l'eau penche vers la gauche : comprimer la glace peut la faire fondre, parce que la glace est moins dense que l'eau. Celle du CO₂ penche vers la droite, comme pour presque tous les corps. Et son point triple à 5,2 bar explique qu'il n'y ait pas de CO₂ liquide à l'air libre. Autour du point critique, on peut aller du liquide au gaz sans jamais croiser une courbe, donc sans bouillir.

Thomas Andrews a comprimé du CO₂ à température constante dans les années 1860. En dessous de 31 °C, il voit apparaître des gouttes, puis la pression cesse de monter tant que tout n'est pas liquide. Au-dessus, plus rien de tel : le fluide se densifie sans jamais se séparer.

Isothermes du CO₂ (CoolProp). La cloche grise est la zone où liquide et vapeur coexistent. Le plateau est la pression de saturation.
Le contenu du cylindre. La hauteur de liquide suit la règle du levier.
Pression
État
Part de vapeur (en masse)
Volume massique du liquide / de la vapeur saturés
La règle du levier. Dans la cloche, pression et température sont fixées : le volume ne dit plus que la proportion. Si x est la part de vapeur, v = x·vv + (1 − x)·vl. Plus on approche de 31 °C, plus le plateau est court. À 31 °C, il se réduit à un point d'inflexion : c'est le point critique.
Densité du liquide et de la vapeur à saturation, rapportées à la densité critique. Vert : leur moyenne, presque droite (loi de Cailletet et Mathias).
Écart de densité selon la distance au point critique, en échelle log-log. Pointillés : la pente 1/2 de Van der Waals.
Exposant β mesuré ici
Prédiction de Van der Waals0,500
Tous les corps de la page : β le plus petit / le plus grand
Des corps différents, un même exposant. Près du point critique, ρl − ρv varie comme (Tc − T)β. L'eau, le CO₂, le diazote et l'argon n'ont presque rien en commun, et pourtant leur β est voisin, autour de 0,35, bien loin du 0,5 de Van der Waals. L'expérience donne environ 0,33 pour tous les fluides : c'est l'universalité. Les fluctuations de densité, à toutes les échelles, y jouent un rôle clé, et ce sont elles qui rendent un fluide laiteux au point critique. Attention : les β affichés sont mesurés sur les équations d'état de CoolProp, moins fiables pour certains corps (éthanol, dihydrogène) ; ce ne sont pas des mesures directes.
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Que dit la pente d'une courbe d'équilibre ?

Pour aller plus loin. Le long d'une courbe où deux phases coexistent, la pente ne doit rien au hasard. Elle est donnée par la chaleur latente et la variation de volume : c'est l'équation établie par Clapeyron en 1834, à partir du cycle de Carnot.

dP / dT = L / (T · Δv)
Bleu : la courbe d'équilibre P(T). Rouge : la droite dont la pente est donnée par la formule de Clapeyron, tracée au point choisi.
T / P
L / Δv
Pente lue sur la courbe
Pente L/(T·Δv)
Rapport des deux
Le signe vient de Δv. L est positive du solide au liquide. Si le solide est moins dense, comme la glace, Δv < 0 : la pente est négative. Pour une vaporisation, Δv est énorme, donc la pente est faible ; pour une fusion, Δv est minuscule, donc la courbe est presque verticale. Pour la fusion et la sublimation, L et la densité du solide sont des valeurs usuelles près du point triple : un rapport moins proche de 1 reflète l'incertitude de ces données, surtout pour le CO₂ solide.

Le patin fond-il la glace ?

Pression sur une lame
Baisse de la température de fusion

L'explication classique ne tient donc pas : la baisse obtenue reste faible, alors qu'on patine bien à −10 °C. Le frottement et la couche superficielle de la glace jouent un rôle important, et le sujet reste discuté.

Pour une vaporisation loin du point critique, on néglige le volume du liquide et on traite la vapeur en gaz parfait : Δv ≈ RT/(MP). L'équation devient celle de Clausius-Clapeyron, d(ln P)/d(1/T) = −ML/R. Si L varie peu, ln P est une droite en 1/T.

ln P selon 1000/T pour l'eau. Bleu : données. Rouge : droite de Clausius-Clapeyron passant par 100 °C, à L constante.
Température d'ébullition de l'eau. Point rouge : votre réglage.
Altitude équivalente (atmosphère type)
Température d'ébullition
Clausius-Clapeyron, L constante
L déduite de la pente locale / L des tables
Une omelette ratée à l'Everest. L'écart de 1 à 2 % entre les deux valeurs de L vient de la vapeur, qui n'est pas tout à fait un gaz parfait. À l'Everest, l'eau bout vers 70 °C : les aliments cuisent très lentement, alors même que l'eau bout à gros bouillons. La cocotte-minute fait l'inverse : sa soupape maintient environ 1,9 bar (valeur usuelle), l'eau y bout vers 118 °C et la cuisson va plus vite.

Clapeyron fait tourner un petit cycle de Carnot sur la courbe de vaporisation. À T : on vaporise 1 kg, le fluide reçoit Q = L et son volume augmente de Δv. Puis on abaisse la température de dT, on liquéfie, on remonte. Le travail est l'aire de la boucle, soit ≈ dP·Δv. Carnot impose W/Q = dT/T. Donc dP·Δv / L = dT/T : c'est la formule.

Cycle dans la cloche de l'eau, échelle log-log. L'étroit rectangle est le cycle ; son aire vraie est lue en échelles linéaires.
Écart relatif entre dP·Δv/L et dT/T selon dT, en échelle log-log. Pointillés : pente 2. Le palier du bas est la précision de la table de données.
Travail W ≈ dP·Δv
Chaleur reçue Q = L
W/Q / dT/T
Pente log-log mesurée
Une formule née d'un moteur. Aucune molécule ici : seulement le second principe et un cycle minuscule. C'est tout l'esprit de la thermodynamique : la pente d'une courbe de changement d'état découle du rendement d'un moteur idéal.
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Les trois états sortent-ils des molécules ?

Tout ce qui précède vient de tables de mesures. Partons cette fois de zéro : 300 particules dans un plan, avec une seule règle, elles s'attirent de loin et se repoussent de près. Réglez la température, et regardez ce qu'elles font d'elles-mêmes.

Bleu foncé : six voisines proches, ce qui domine dans un cristal mais existe aussi dans un liquide. Bleu : moins de voisines. Orange : isolée ou presque, comme dans une vapeur. Le système est périodique : ce qui sort d'un côté rentre de l'autre.
Température mesurée
Part : six voisines / moins / isolées
Énergie par particule
Faites-le lentement. Partez du cristal et montez par petits pas. Le cristal se désordonne, des particules s'échappent et forment une vapeur, puis la tranche de liquide s'amincit et se déchire. Personne n'a écrit « fusion » dans le programme : la seule loi est la force entre deux particules, ajoutée à l'agitation thermique.

Sur de longues séries à température fixée (calculées à l'avance avec le même programme), on mesure les densités du liquide et de la vapeur, leur énergie et la pression. La formule de Clapeyron s'écrit ici d(ln P)/d(1/T) = −T·L/(P·Δv), avec k = 1 : voici ce qu'elle devient dans ce monde à deux dimensions. L et P sont mesurés indépendamment : L par l'écart d'énergie entre les deux phases, plus P·Δv ; P par la densité de la vapeur, presque parfaite, sous T = 0,8, et par la pression sur l'interface à T = 0,8.

Densités du liquide et de la vapeur selon la température : une cloche, comme pour un corps réel. Au-delà de T ≈ 1,1, il n'y a plus de tranche à mesurer.
ln P selon 1/T. Rouge : droite dont la pente est prévue par Clapeyron, avec la chaleur latente et les volumes mesurés.

Quelques repères

Le palier

Pendant un changement d'état à pression fixée, la température ne bouge pas. La chaleur fournie Q = m·L sert à réorganiser les molécules.

La carte

Trois courbes dans le plan (T, P), un point triple où elles se rencontrent, et un point critique où la courbe de vaporisation s'arrête.

La pente

dP/dT = L/(T·Δv). Elle découle du second principe : le signe de Δv explique la curiosité de la glace, et sa grandeur la platitude de la courbe de vaporisation.

Pour aller plus loin

Pourquoi la température reste fixe. Deux phases en équilibre ont la même enthalpie libre massique, μ(T, P). Cette égalité est une seule équation entre T et P : à pression fixée, T est fixée. C'est aussi ce qui donne la formule de Clapeyron : dérivez μ1 = μ2 le long de la courbe et vous obtenez (s2 − s1)·dT = (v2 − v1)·dP, avec s2 − s1 = L/T.

La règle des phases de Gibbs. Pour un corps pur, le nombre de grandeurs intensives libres est 3 − φ, où φ est le nombre de phases. Une phase : une surface du plan. Deux : une courbe. Trois : un point. C'est pourquoi le point triple est unique.

Les retards. Une eau très pure peut rester liquide sous 0 °C (surfusion) ou au-dessus de son point d'ébullition (surchauffe) : il manque un germe pour démarrer le changement d'état. Le diagramme donne l'état d'équilibre, pas le chemin pour y arriver.

Les données. Courbes liquide-vapeur et isothermes : CoolProp 8.0.0. Lignes de sublimation et de fusion : formules de référence IAPWS pour l'eau, de Span et Wagner pour le CO₂. Chaleurs de fusion, capacités des solides et densité du solide : valeurs usuelles de la littérature, données à titre d'ordre de grandeur, notamment pour le CO₂ solide. La glace n'est représentée que sous sa forme ordinaire (glace I) : au-delà d'environ 2 000 bar, d'autres formes de glace apparaissent, non représentées ici.

La simulation. Potentiel de Morse à deux dimensions, thermostat de Langevin, unités réduites (profondeur du puits = 1, distance d'équilibre = 1, k = 1, masse = 1). Avec 300 particules, les changements d'état sont arrondis et les températures de transition approximatives. À deux dimensions, la fonte d'un cristal a des particularités que ce petit système ne permet pas d'étudier.

Dans la même série : Le second principe et l'entropie, Moteurs, réfrigérateurs et pompes à chaleur pour le cycle de Carnot et la compression de vapeur, et Les gaz parfaits et les gaz réels pour Van der Waals.