🧊 Le diagramme de phases : point triple et point critique
Pourquoi les pâtes cuisent-elles mal au sommet de l'Everest ? Pourquoi la neige carbonique ne fond-elle jamais en flaque ? Toutes les réponses tiennent sur une seule carte : le diagramme de phases. Promène le point d'état, joue les transformations… et va visiter le mystérieux fluide supercritique, ni liquide, ni gaz.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Trois courbes séparent le solide, le liquide et le gaz : sur chacune, deux états coexistent (glace et eau, eau et vapeur, solide et gaz).
- Les trois courbes se rejoignent au point triple, le seul couple (T, P) où solide, liquide et gaz coexistent : 0,01 °C et 611,657 Pa pour l'eau.
- La courbe de vaporisation s'arrête au point critique (374 °C et 220,6 bar pour l'eau, 31 °C et 73,8 bar pour le CO₂) : au-delà, plus de surface entre liquide et vapeur, il ne reste qu'un fluide supercritique.
- La courbe de fusion de l'eau penche vers la gauche (regarde la loupe) : comprimer la glace la fait fondre. Celle du CO₂ penche vers la droite, comme pour presque tous les corps purs.
- Pour le CO₂, la pression atmosphérique est sous le point triple (5,2 bar) : sous 1 atm, le CO₂ solide se sublime à −78,5 °C sans jamais devenir liquide.
Expériences à faire
- À quelle température l'eau bout-elle dans une cocotte-minute à 2 bar ? Vérifie avec « ✏️ Ma transformation » : chauffe l'eau jusqu'à 150 °C sous 2 × 105 Pa.
- Peut-on obtenir de l'eau liquide sous une pression de 300 Pa ? Pourquoi ?
- Quelle pression faut-il pour faire fondre de la glace à −2 °C ? Un patineur peut-il exercer une telle pression ?
- Comment transformer du CO₂ gazeux en CO₂ liquide sans jamais le voir bouillir ? (Joue la transformation « Contourner le point critique ».)
- Choisis « ✏️ Mon corps pur » et entre les données de l'argon (point triple −189,3 °C et 68,9 kPa ; point critique −122,5 °C et 4,86 MPa) : l'argon peut-il être liquide sous 1 atm ?
La physique derrière l'animation
- Un corps pur sous une seule phase est décrit par deux variables (T, P) ; deux phases en équilibre n'ont plus qu'une variable libre : P = Psat(T) sur une courbe de changement d'état. Au point triple, il n'y en a plus aucune.
- Relation de Clapeyron : dP/dT = L / (T Δv), L étant la chaleur latente et Δv la variation de volume massique. La glace étant moins dense que l'eau (Δv < 0 à la fusion), la courbe de fusion de l'eau a une pente négative : ≈ −13,5 MPa/K.
- Points remarquables : eau, point triple 273,16 K et 611,657 Pa, point critique 647,1 K et 22,06 MPa ; CO₂, point triple 216,6 K et 0,518 MPa, point critique 304,1 K et 7,38 MPa.
- Au-delà du point critique (T > Tc et P > Pc), le fluide supercritique a une densité proche de celle d'un liquide et diffuse comme un gaz : le CO₂ supercritique sert à décaféiner le café sans solvant toxique.
- Courbes de l'animation : équations de référence de l'IAPWS pour l'eau (glace Ih) et de Span et Wagner (1996) pour le CO₂ ; pression en échelle logarithmique. Pour « ✏️ Mon corps pur », modèle simplifié : ln P = a − b/T (relation de Clapeyron) pour la vaporisation et la sublimation, courbe de fusion droite. La vue microscopique est un simple schéma.
D'autres animations
De la glace à la vapeur : les changements d'état
Chauffe un bloc de glace jusqu'à la vapeur : paliers à 0 °C et 100 °C, énergie reçue et molécules qui se libèrent, en direct.
Manipuler →L'énergie d'un changement d'état : Q = m·L
Fais fondre, bouillir ou geler eau, fer, plomb ou carboglace : Q = m × L se calcule en direct et la droite Q(m) compare les espèces.
Manipuler →La centrale nucléaire : de la fission à l'électricité
Suis l'énergie dans une centrale nucléaire : cœur, générateur de vapeur, turbine, alternateur, condenseur et tour. Rendement η = P_e / P_th ≈ 33 %.
Manipuler →Et maintenant, on passe aux choses sérieuses ? 😉
ExpoSinus est un site d'éducation : les jeux et les articles sont là pour donner envie, les cours et les exercices pour progresser vraiment.