LES CHANGEMENTS D'ÉTATS DE LA MATIÈRE

        VII- ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR


      1) Pression de vapeur saturante en équilibre avec le liquide

    Considérons, dans un récipient clos, à une certaine température, un liquide en équilibre avec sa vapeur. La pression de cette vapeur est alors appelée pression de vapeur saturante. Augmentons la température, le débit des molécules qui arrivent à sortir du liquide pour aller dans la vapeur augmente. La vapeur va donc s'enrichir en molécules, à volume constant, et contrairement au cas de l'équilibre solide-liquide, cela ne pose aucun problème, du fait que la vapeur est un gaz compressible. Elle peut donc contenir un nombre variable de molécules dans un volume fixé. Rappelons que dans le cas d'un liquide, le volume occupé est toujours proportionnel au nombre de molécules, du fait que le liquide est incompressible. Simplement, du fait que la vapeur contient plus de molécules, dans le même volume que précédemment, le débit des molécules rentrant dans le liquide augmente. On obtient donc un nouvel état d'équilibre, mais avec une pression de vapeur plus grande. La pression de la vapeur saturante est donc une fonction parfaitement définie de la température.

      2) Différence entre l'ébullition et l'évaporation (voir ce lien pour comprendre cette différence avec une analogie)

    L'eau se met à bouillir quand il se forme des bulles de vapeur à l'intérieur. La vapeur dans ces bulles est à la pression atmosphérique. L'eau bout donc quand la température est telle que la pression de vapeur saturante est égale à la pression atmosphérique. Si cette dernière est constante, on a le palier d'ébullition, comme la vidéo ci-dessous à droite le montre. On en déduit en particulier que la température d'ébullition de l'eau dépend de la pression, et donc de l'altitude : la température d'ébullition de l'eau diminue de 1°C à chaque fois que l'on s'élève de 300 m.

    Pour l'évaporation, la situation est différente : il s'agit de molécules qui s'échappent par la surface libre du liquide. En dehors de chocs ponctuels, les molécules d'air et de vapeur d'eau sont sans interactions. Il s'agit encore de l'équilibre des débits de molécules rentrantes et sortantes. Mais le débit de molécules rentrantes est lié à la pression de la vapeur seule, ce qu'on appelle la pression partielle de la vapeur et qui est très inférieure à la pression atmosphérique. L'eau s'évapore donc bien avant de bouillir. L'action de l'air, par les chocs de ses molécules avec les molécules d'eau joue simplement un rôle de couvercle ou de frein. L'eau s'évapore d'autant moins vite que la pression atmosphérique est forte. En absence d'air, l'évaporation n'existe plus : dès que la pression de vapeur est inférieure à la pression de vapeur saturante à la température donnée, il y a ébullition.

    Il est intéressant avec les élèves d'étudier les différents paramètres influençant la vitesse d'évaporation. En particulier, au cycle 3, on peut sensibiliser les élèves au principe de séparation des variables (1 facteur variable, les autres constants). L'évaporation s'accélère quand la température augmente (plus de molécules s'échappent car elles vont plus vite), quand la surface augmente (proportionnalité à la surface; en effet, les molécules s'échappent par la surface), quand l'humidité diminue (moins de molécules reviennent dans le liquide). Le vent ramène de l'air plus sec au dessus du liquide et accélère donc l'évaporation. Une balance de Roberval équilibrée avec de l'eau dans un des plateaux est pratique pour étudier l'influence de ces facteurs. Elle se déséquilibre en 10 mn environ.

      3) Le bouillant de Franklin, le point triple (vidéo ci-contre à droite)

    On fait bouillir de l'eau dans un ballon. On observe bien le palier à 100°C correspondant à la pression atmosphérique. Au bout d'un certain temps, on a uniquement le liquide avec sa vapeur dans le ballon, l'air ayant été complètement chassé. On enlève alors le ballon du feu et on le bouche. Si on verse de l'eau froide sur la paroi, la vapeur qui se liquéfie en buée crée un vide, et la chute de pression provoque l'ébullition à une température inférieure à 100°C. Si on mettait un manomètre pour mesurer la pression et un thermomètre pour mesurer la température, on mesurerait, pour chaque température la pression de vapeur saturante. Ici, on fait baisser la pression de vapeur en diminuant la température. Dans l'expérience avec la bombe soufflante, on faisait baisser la température en diminuant la pression de vapeur. On peut arriver à faire bouillir de l'eau à 0°C; l'eau se met alors à geler. On arrive au point triple de l'eau (les trois états en équilibre) qui a lieu pour une température et une pression bien précise (voir point triple de l'azote, sur la vidéo en haut à droite).
    Pour une pression plus faible que celle du point triple, le liquide ne peut pas exister, car pour l'obtenir, il faudrait faire fondre le solide, mais à la température de fusion, le liquide est déjà en ébullition.

    La pression atmosphérique sur Mars est égale à celle du point triple de l'eau, ce qui fait qu'en fonction de l'instant et du lieu, soit l'eau ne peut pas exister à l'état liquide, soit elle peut exister, mais bout vers 10°C. Ce n'est pas une coïncidence. Si la pression atmosphérique augmentait, beaucoup d'eau à l'état liquide pourrait exister. Le CO2 se dissoudrait dans l'eau et réagirait avec les roches silicatées, pour être piégé sous forme de roche calcaire par la réaction :
    CaSiO3 + CO2 CaCO3 + SiO2. Ce processus ferait diminuer la pression, jusqu'à ce que l'eau ne puisse plus exister à l'état liquide, donc jusqu'à la pression du point triple! Ainsi, l'atmosphère de Mars présente une autorégulation qui fait que la pression est toujours voisine de la pression du point triple de l'eau.
    Sur la Terre, le dioxyde de carbone (CO2) ne peut pas exister à l'état liquide, d'où la vidéo ci-contre à droite

      4) Humidité de l'air

    L'eau s'évaporera d'autant plus que la pression partielle de la vapeur d'eau pe sera inférieure à la pression de vapeur saturante pes. On appelle humidité de l'air ou degré hygrométrique le rapport 100 pe/pes. Lorsque ce degré vaut 100, l'eau ne peut plus s'évaporer. Il y a même, si la pression de vapeur est supérieure à la pression de vapeur saturante, liquéfaction sous la forme de gouttelettes de buée ou de brouillard. Ainsi, l'hygrométrie ne peut jamais dépasser 100.

      5) Animation

    Dans l'animation ci-contre à droite le changement d'état est modélisé de la manière suivante : toute molécule qui arrive sur la paroi inférieure s'y colle. Cette dernière est capable d'éjecter un certain nombre de molécules en un temps donné, qui augmente avec la température. Il y a condensation quand il y a en permanence au moins une molécule de collée.
    La fonction qui donne le débit de molécules s'échappant de la paroi où elles sont collées est ajustée pour correspondre à la réalité. La pression de vapeur d'eau e est mesurée directement par comptage des chocs sur la paroi du dessus pendant une minute. Le degré d'humidité (hygrométrie) est calculé en faisant le rapport de e par eS(t) donnée par la formule :


    Le e à droite de l'équation correspond à la fonction exponentielle.
La pression eS est donnée en dPa : décapascal = 0.1 mb = décimillibar. t + 273 = T la température absolue. t se mesure en °C (degrés Celsius); tandis que T se mesure en Kelvin. Le froid absolu correspond à 0 K et -273 °C.

      6) Pourquoi fait-il sec dans les habitations chauffées l'hiver?

    Du fait de l'aération des habitations, la pression partielle de vapeur d'eau est la même dedans et dehors. Cependant, la température n'étant pas la même, la pression de vapeur saturante n'est pas la même à l'intérieur et à l'extérieure. L'humidité n'est donc pas la même. Ceci est présenté dans l'animation ci-contre à droite.

      7) Psychromètre

    Cet appareil est constitué d'un thermomètre sec et d'un thermomètre dit thermomètre mouillé dont le réservoir est recouvert d'un tissu mouillé. Plus il fait sec, plus l'eau s'évapore vite sur le thermomètre mouillé, et donc, plus le refroidissement ainsi provoqué est intense. L'humidité de l'air peut donc être obtenue à partir de la différence de température entre le thermomètre sec et le thermomètre mouillé, comme le montre le fichier joint. Il faut mettre dans la case Température, la température du thermomètre sec, et dans la case Thermomètre mouillé, la température du thermomètre mouillé. La température diminuant avec l'altitude par détente de l'air, on peut, en fonction du degré hygrométrique au sol, calculer l'altitude de la base des nuages, en cas de convection.

      8) Un nuage dans une bouteille

    Quand un gaz se détend (baisse de la pression), la température diminue. Il s'agit d'un mécanisme différent du refroidissement par vaporisation, et le refroidissement est beaucoup moins intense. Le refroidissement peut cependant être suffisant pour que la saturation soit atteinte (voir le paragraphe 6 où il est expliqué que le degré hygrométrique varie, pour une masse d'air donnée, avec la température). Dans l'animation ci-contre à droite, on met la bouteille avec de l'eau à l'intérieur sous pression. L'eau s'évapore. Ensuite, on provoque une détente en ouvrant la bouteille, et la vapeur d'eau se liquéfie en de nombreuses petites gouttelettes d'eau. Un nuage s'est formé. Le processus est plus efficace s'il y a des poussières dans l'air, comme le montre la vidéo suivante ci-dessous :



    L'air qui s'élève en passant au dessus d'une montagne voit sa pression baisser. Cette détente peut, par le phénomène qui vient d'être décrit, provoquer la condensation (liquéfaction) de la vapeur d'eau. C'est l'effet de Fœhn

      9) Buée

    Si une paroi froide a une température telle que la pression de vapeur saturante, du gaz considéré, à cette température soit inférieure à la pression partielle de ce gaz dans le milieu, il se liquéfie sous forme d'une multitude de gouttelettes d'eau qui se forment sur la paroi. Il se forme de la buée. Comme le montre la vidéo ci-contre à droite.


    L'oxygène se liquéfie plus facilement que l'azote. Si on met de l'azote liquide dans un récipient conique étanche métallique, la surface du métal (qui est un bon conducteur thermique, est à une température telle que la pression de vapeur saturante de l'oxygène à cette température soit inférieure à la pression partielle de l'oxygène dans l'air. L'oxygène liquide se dépose donc sous forme de buée qui ruisselle sur le cône (vidéo ci-dessous à droite). Les gouttelettes qui tombent dans la vidéo ci-contre à droite sont des gouttelettes d'oxygène liquide.

    La vidéo ci-dessous montre que l'oxygène liquide est paramagnétique (susceptible d'être attiré par un aimant).



      10) L'oiseau buveur

    La tête est recouverte de velours que l'on peut mouiller. À l'intérieur du récipient en verre, totalement clos, un liquide est présent avec sa vapeur. Comme l'eau du velours de la tête s'évapore, la tête devient plus froide que le bas. Donc la pression de vapeur est plus faible dans la tête que dans le réservoir du bas ce qui aspire le liquide dans le tuyau. Le poids de ce liquide déséquilibre alors l'oiseau qui se penche. Ce faisant, en bas, le tuyau sort du liquide et se vidange. Tout le poids étant revenu en bas, l'oiseau se redresse. Quand l'oiseau est penché, il trempe son bec dans l'eau, ce qui permet de maintenir mouillé le velours. On a donc un moteur thermique.

    Si on fait du vent, l'évaporation de l'eau de la tête s'accélère, cette dernière est donc plus froide, la pression de vapeur est plus faible en haut, le liquide monte plus vite, ce qui accélère le mouvement de l'oiseau.

    Cet objet technique utilise donc la physique des changements d'états, des transvasements, et des leviers et balances. Suite : le point critique.
    On fait le vide avec une pompe à vide dans un vase Dewar contenant de l'azote liquide, et on arrive au point triple de l'azote
    On enferme de la neige carbonique (dioxyde de carbone solide) dans une bouteille en plastique. La pression est inférieure à la pression du point triple (74 fois la pression atmosphérique) et le solide se sublime. Il en résulte que la pression augmente. Quand la pression du point triple est atteinte, le solide fond; on obtient le liquide et l'on reste à la pression du point triple, tant que les trois états sont présents. Ensuite, la pression augmente de nouveau. La pression devient tellement forte que la bouteille explose!
    La température d'ébullition de l'eau dépend de la pression.