Diagramme de phases
Introduction
Découvrez les zones de stabilité des états de la matière
Définition du diagramme de phases
Qu'est-ce qu'un diagramme de phases ?
Un diagramme de phases est une représentation graphique qui montre les conditions de température et de pression auxquelles une substance existe sous différentes phases (solide, liquide, gaz).
Il permet de prédire l'état d'une substance en fonction des conditions externes.
Axes du diagramme
Axes du diagramme de phases
L'axe horizontal représente la température, généralement en degrés Celsius (°C) ou en Kelvin (K).
Elle varie de basse température (gauche) à haute température (droite).
L'axe vertical représente la pression, généralement en atmosphères (atm) ou en pascals (Pa).
Elle varie de basse pression (bas) à haute pression (haut).
Zones de stabilité
Régions du diagramme
Cette zone correspond aux conditions de température et de pression où la substance existe à l'état solide.
Elle se trouve généralement à basse température et pression modérée.
Cette zone correspond aux conditions où la substance existe à l'état liquide.
Elle se situe généralement à température intermédiaire et pression modérée.
Cette zone correspond aux conditions où la substance existe à l'état gazeux.
Elle se trouve généralement à haute température et basse pression.
Courbes de transition
Frontières entre phases
La courbe de fusion sépare la zone solide de la zone liquide.
Elle montre les conditions de température et de pression auxquelles la substance peut exister simultanément à l'état solide et liquide.
La courbe de vaporisation sépare la zone liquide de la zone gazeuse.
Elle montre les conditions de température et de pression auxquelles la substance peut exister simultanément à l'état liquide et gazeux.
La courbe de sublimation sépare la zone solide de la zone gazeuse.
Elle montre les conditions auxquelles la substance peut passer directement de l'état solide à l'état gazeux.
Point triple
Point triple
Le point triple est le point unique sur le diagramme de phases où les trois phases (solide, liquide, gaz) coexistent en équilibre.
Il correspond à une température et une pression spécifiques.
Pour l'eau, le point triple se trouve à :
- Température : 0.01°C
- Pression : 611.73 Pa (0.006 atm)
C'est à cette condition que la glace, l'eau liquide et la vapeur d'eau peuvent coexister.
Point critique
Point critique
Le point critique est le point au-delà duquel il n'est plus possible de distinguer la phase liquide de la phase gazeuse.
Au-delà de ce point, la substance existe sous forme de fluide supercritique.
Pour l'eau, le point critique se trouve à :
- Température critique : 374°C
- Pression critique : 218 atm
Au-delà de ces conditions, il n'y a plus de distinction entre liquide et gaz.
Étude de cas - Diagramme de l'eau
Diagramme de phases de l'eau
Le diagramme de phases de l'eau présente des particularités importantes.
Contrairement à la plupart des substances, la glace est moins dense que l'eau liquide.
2 Cela signifie que la pression favorise la fusion de la glace
3 Sous haute pression, la glace fond à une température inférieure à 0°C
4 Cela explique le phénomène de regel des patinoires
Étude de cas - Diagramme du dioxyde de carbone
Diagramme de phases du CO₂
Le diagramme de phases du CO₂ est très différent de celui de l'eau.
Le point triple du CO₂ se trouve à une pression supérieure à 1 atm.
2 Le point triple est à -56.6°C et 5.11 atm
3 Il n'existe pas de phase liquide à pression atmosphérique normale
4 Cela explique pourquoi la glace carbonique disparaît sans fondre
Applications pratiques
Utilisations quotidiennes
Les diagrammes de phases expliquent de nombreux phénomènes en cuisine :
- Utilisation des autocuiseurs pour augmenter la température d'ébullition
- Lyophilisation des aliments (sublimation du gel)
- Refroidissement rapide des aliments
- Conservation sous vide
Les diagrammes de phases sont exploités dans de nombreux domaines :
- Industrie pétrolière (extraction et transport)
- Technologies cryogéniques
- Supercritique CO₂ pour l'extraction
- Centrales thermiques
Exercice d'application
Problème complet
Voici le diagramme de phases d'une substance inconnue X :
- Point triple : T = 50°C, P = 0.5 atm
- Point critique : T = 300°C, P = 80 atm
- Pression normale d'ébullition : 150°C
1. Tracer approximativement le diagramme de phases de X.
2. Déterminer l'état de X à 25°C et 1 atm.
3. Que se passe-t-il si on chauffe X de 25°C à 200°C à pression constante de 1 atm ?
Solution de l'exercice
Correction détaillée
1. Le point triple est à (50°C, 0.5 atm)
2. Le point critique est à (300°C, 80 atm)
3. La courbe de vaporisation passe par (150°C, 1 atm)
4. La zone solide est en bas à gauche, la zone gazeuse en haut à droite
À 25°C et 1 atm, la température est inférieure au point triple (50°C) et la pression est supérieure à celle du point triple (0.5 atm).
Donc la substance X est à l'état solide.
En chauffant de 25°C à 200°C à pression constante de 1 atm :
1. De 25°C à 150°C : X reste solide
2. À 150°C : X fond (fusion) et devient liquide
3. De 150°C à 200°C : X est à l'état liquide
Résumé
Points clés
- Représente les zones de stabilité des phases
- Abscisse : température
- Ordonnée : pression
- Fusion : solide ↔ liquide
- Vaporisation : liquide ↔ gaz
- Sublimation : solide ↔ gaz
- Point triple : coexistence des 3 phases
- Point critique : fin de la distinction liquide-gaz
Conclusion
Félicitations !
Continuez à pratiquer pour renforcer vos compétences