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Le diagramme de phases de l'eau

Un corps pur, dans un espace donné, peut se trouver dans une, deux ou trois des phases gazeuse, liquide et solide, de façon telle que les sous-espaces où il apparaît éventuellement dans deux phases distinctes sont séparés l'un de l'autre par des surfaces bien définies. La température absolue T et la pression p du corps pur sont les paramètres décrivant son état, et suivant les valeurs que prennent ces deux grandeurs, cet état sera précisé grâce à un point M de coordonnées T , p situé dans un diagramme reportant T en abscisses à partir de 0 K et p en ordonnées à partir de 0 hPa : ainsi se dessinent sur ce diagramme de phases (ou de phase ), entre les deux demi-axes, trois zones continues et adjacentes rassemblant respectivement les valeurs de T et p pour lesquelles le corps pur évolue vers les phases solide, liquide et gazeuse ; les zones des phases solide et liquide (resp. solide et gazeuse, liquide et gazeuse) sont séparées par une courbe appelée courbe de fusion (resp. de sublimation, de vaporisation ), dont les points ont une température et une pression correspondant à un état d'équilibre entre les deux phases concernées, et ces trois courbes convergent au point triple M T où les trois phases du corps pur coexistent à l'état d'équilibre. La courbe de vaporisation ne peut se prolonger au-delà d'un point M C appelé le point critique : à une température supérieure à celle de M C , il deviendra impossible de liquéfier par compression le corps pur quand il est à l'état gazeux.

Considérons le cas où une masse unité du corps pur en phase 1 a une température T et une pression p ( T ) correspondant à la courbe d'équilibre entre la phase 1 et une phase 2 : pour passer de la phase initiale 1 à la phase finale 2, cette masse doit recevoir de la phase 2 une quantité (algébrique) de chaleur latente L 1, 2 ; en même temps, son volume passe de V 1 à V 2 . La formule de Clapeyron (d'après le nom d'Émile Clapeyron [1799-1864], ingénieur et physicien français) permet alors d'exprimer la valeur de L 1, 2 sous la forme

L 1, 2 = T ( V 2 - V 1 ) dp ( T ) / dT


où la dérivée dp ( T ) / dT mesure la pente de la courbe d'équilibre entre l'état 1 et l'état 2 au point M de coordonnées T , p ( T ) de cette courbe. Dans le cas du passage du solide au liquide, qui s'accompagne généralement d'une augmentation de volume, cette pente est positive ; mais l'eau, dont la densité est plus élevée à l'état liquide qu'à celui de glace , fait exception, et la température du point de fusion y diminue quand la pression augmente : elle est par exemple de 273,15 °C à 1 013,25 hPa et de 273,16 °C au point triple, qui est associé à une pression de 6,11 hPa (le point critique de l'eau a quant à lui pour coordonnées approximatives 374 °C et 221.10 3 hPa). En fait, tant que la pression n'est pas trop élevée, la pente de la courbe de fusion de l'eau est quasiment une constante (négative), de valeur absolue un peu supérieure à 10 5 hPa / °C : c'est dire que depuis la surface du sol jusqu'à la turbopause , on peut considérer que la température de fusion de la glace dans l' atmosphère est égale à 0 °C indépendamment de la pression . Notons enfin que dans le cas de la chaleur latente de vaporisation de l'eau L LG , l' équation d'état des gaz parfaits appliquée au volume V G - V L = 1 / ρ v de la masse unité d'eau vaporisée, de masse volumique ρ v , s'écrit e w ( T ) = ρ v R v T , où e w ( T ) est la pression de vapeur saturante à la température T et R v , une constante spécifique de la vapeur d'eau : l'association de cette égalité à la formule de Clapeyron aboutit alors à l' équation de Clausius-Clapeyron (d'après les noms de Rudolf Clausius [1822-1888], physicien allemand, et de Clapeyron),

[1 / e w ( T )] de w ( T ) / dT = L LG / ( R v T 2 )


qui permet de proposer des expressions pratiques de e w ( T ) en fonction de la température T .




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