FORMULES de PHYSIQUE
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CHANGEMENTS d'éTAT de PREMIER GENRE
-changement d'état du premier genre
GÉNÉRALITÉS SUR LES CHANGEMENTS D’ÉTAT DU PREMIER GENRE
Ils causent la modification de la qualité agrégative de la matière de leur système
Il y a apport énergétique extérieur, causant une transition de PHASE (synonyme de changement d'état)
Une telle transition est discontinue (spontanée ou par paliers) et ce peut être une fusion, une solidification, une sublimation, une aimantation, etc....
POINT TRIPLE
C'est -pour un même corps- l'intersection des 3 courbes de (pression en fonction de la température), concernant ses états gazeux, liquide, solide. C'est donc le point de rencontre des changements d'état, figuré sur les courbes
Tous les corps (sauf l'hélium, qu'on ne sait pas solidifier à faible pression.) ont un point triple.
La variance y est alors nulle
Exemples de température de point triple:
hydrogène (13,80 K sous 7.103 Pa)--CO²(141 K, sous 5,2.105 Pa)--SO(198K sous 1,8.102 Pa)--eau(273,16 K sous 611 Pa)--Zn(693K)
CHANGEMENTS d'ETAT THERMODYNAMIQUES
-il y a 3 genres de changement d'état thermodynamique, classés selon l’évolution de la fonction T(S) , c'est à dire la température fonction de l’entropie-
-si la courbe T(S) présente un palier : T reste constante pendant une certaine variation d'entropie S
-si la courbe T(S) présente un point singulier :T change de pente à partir d'une certaine variation d’entropie
-si la courbe T(S) présente un point de rebroussement :T croît puis décroît au cours de la variation d’entropie
Les dérivées de l’enthalpie libre (G) par rapport aux autres grandeurs du système sont discontinues (mais différentes dans les diverses PHASES en équilibre)
Equation de Clausius-Clapeyron
dp / dT = dS/ dV et dp / dT = dHl / T.dV
dp(Pa)= variation de pression de vapeur
dS(J/K)= variation d’entropie entre PHASE gazeuse et PHASE liquide
dHl(J)= variation de chaleur latente (enthalpique)
dT(K)= variation de température
dV(m3)= variation de volume entre PHASE gazeuse et PHASE liquide
Si dV >> 0, on utilise l'approximation : dp / dT # Ev / (T.V) de PHASE gazeuse ou encore
dp / dT # q'c.ρ' / T
avec Ev(J)= chaleur de vaporisation , q’c(J/kg)=chaleur massique ,
ρ'(kg/m3)= masse volumique
Relation enthalpique G = H - S.T avec G(J)= enthalpie libre, S(J/K)= entropie
et H(J)= enthalpie totale
ENTHALPIE
L'enthalpie est l'énergie nécessaire pour changer d'état
Donc il y a l'enthalpie d'absorption (énergie prise à l'extérieur) pour les transformations genre Fusion, Sublimation, Vaporisation et Réaction chimique endothermique
Et par ailleurs l'enthalpie d'émission (énergie rendue, dans les transformations style Condensation, Liquéfaction, Solidification, Réaction chimique exothermique-
H = T.(V1- V2).dp / dT
où H(J)= enthalpie nécessaire pour faire changer de PHASE un corps
V1 et V2(m3)= volumes des 2 états du corps en cours de la transformation
dp / dT (Pa/K) est la variation de pression p par rapport à la variation de température T
L'enthalpie est en général appréhendée à travers son aspect massique, c'est à dire la quantité de chaleur nécessaire pour faire passer (à T.P.N) l’unité de masse d’un corps pur, d’un état physique à un autre. En expérience pratique, on utilise donc l'enthalpie massique >>>
Exemple: enthalpie massique pour changer de la glace en eau: il faut 80.000 calories (3,34.105 J) pour faire fondre un kg de glace, ce qui se fait en augmentant degré par degré la température, lui permettant de passer ainsi à son nouvel état physique qui est l'eau
TEMPÉRATURE
La température de changement de PHASE reste constante lors de la transition entre une PHASE et une autre (température latente)
(par exemple la fusion se fait à T constante -sauf pour les corps amorphes, pour lesquels il y a fusion pâteuse avec température évolutive)
ENERGIE
Une transformation d’état se fait avec échange d'énergies (apparaissant sous diverses formes dans le système)
-loi de l’équilibre des PHASES
Pendant une transformation de PHASE, l’énergie chimique Ei1 au moment de l’équilibre est
Ei1 = Ei0+ R.T.Log(yn.p1 / p2)
où Eio(J)= énergie chimique au départ
R(J/K)= constante des gaz (elle vaut 8,314 Joule/K)
(p1/p2) = activité (rapport entre la pression partielle dans le mélange et la pression atmosphérique de référence)
yn = fraction (pourcentage) de matière impliquée dans la transformation
DUREES
-retard au changement de phase ou état métastable, ou "faux équilibre".
Les cas de retard à un changement d’état sont:
-la surfusion (métastabilité) qui est un retard à la solidification Voir ce chapitre
-la surchauffe = retard à l’ébullition (quelques degrés K)
-la sursaturation = retard à la liquéfaction (à plusieurs fois la pression de vapeur saturante)
Les corps les plus stables sont ceux qui ont les plus faibles potentiels énergétiques
PRINCIPAUX CHANGEMENTS D’ÉTAT du PREMIER GENRE
-déposition (ou condensation solide ou désublimation): un gaz se transforme en solide (c’est donc l’inverse de la sublimation)
-sublimation : un solide devient gaz (c’est donc l’inverse de la déposition)
-fusion: c’est la transformation d’un solide en liquide (c’est donc l’inverse de la solidification)
-solidification (dont congélation et nucléation) : un liquide devient solide (c’est donc l’inverse de la fusion)
-liquéfaction (ou condensation liquide): un gaz devient liquide (c’est donc l’inverse de la vaporisation)
-vaporisation (dont l'évaporation qui est une vaporisation lente et la caléfaction, qui est une vaporisation très rapide): un liquide devient gaz (c’est donc l’inverse de la liquéfaction)
-ionisation : pour un plasma, c'est le changement d'état (de qualité agrégative) en fonction de sa température et de sa densité ionique.
Grossièrement, on peut dire en moyenne que: jusqu’à 105K , le plasma est solide, puis de (106 à 107K) il est liquide et au-delà il est gazeux
-recombinaison : pour un plasma: c'est l'inverse de l'ionisation.
et pour une réaction chimique c'est la réversibilité
-trempe
Un métal maintenu assez longuement à haute température et soudainement refroidi subit une trempe
Si on le réchauffe ensuite modérément, c'est la maturation
-aimantation
Quand il y a échauffement d'un matériau magnétique, il y a changement de PHASE (on passe du ferromagnétisme au paramagnétisme -à la température de Curie-)
-réactions chimiques (pour partie)