🌡️ Activité n°1 (exp.) : Diagramme Pression–Température d’un corps pur

Titre de l'activité : 🌡️ Activité n°1 (exp.) : Diagramme Pression–Température d’un corps pur - [Chapitre : Équilibre Liquide-Gaz]

Durée : 2h

Compétences

ANA - Exploiter ses connaissances, les informations extraites ou les résultats obtenus
RCO - Restituer des connaissances
APP - Rechercher et extraire l'information
APP - Connaître le vocabulaire, les symboles et les unités mise en œuvre
RÉA - Suivre une procédure, un mode opératoire
APP - Mobiliser les connaissances en rapport avec le problème

Notions

États d’un corps pur. Changements d’état
Nommer les changements d'état des corps purs
Diagramme d’état d’un corps pur dans le plan (T,P)
Utiliser et interpréter le diagramme d’état d’un corps pur dans le plan (T, P)
Déterminer des caractéristiques des transitions de phase d'un corps pur à l'aide d'une courbe d'analyse thermique

🎯 Objectifs

① Nommer les changements d'état des corps purs.

② Utiliser et interpréter le diagramme d’état d’un corps pur dans le plan (T,P).

Déterminer des caractéristiques des transitions de phase d'un corps pur à l'aide d'une courbe d'analyse thermique.

Question⚓

Q1. Compléter les rectangles sur le schéma ci-contre en indiquant les 3 états de la matière, ainsi que les flèches indiquant le nom des six changements d'états.

📈 Évolution de la température lors d’un changement d’état ⚓

On réalise les manipulations suivantes :

Complément : 🧪 Manipulation n°1

On place un bécher d’eau sous un cloche de verre fermée hermétiquement.
Une pompe permet de diminuer la pression sous la cloche. On mesure la pression
On mesure l’évolution de la température en fonction du temps.

Complément : 🧪 Manipulation n°2

On chauffe un ballon rempli d’eau à pression ambiante.
On mesure l’évolution de la température en fonction du temps pendant l’ébullition.

Complément : 🧪 Manipulation n°3

On place un bécher d’eau dans un cristallisoir rempli de sel et de glace pilée
On mesure l’évolution de la température en fonction du temps jusqu’à la fin de la solidification.

Question⚓

Q2. Pour chacune des trois expériences, tracer la courbe de l’évolution de la température en fonction du temps.

Question⚓

Q3. Comment évolue la température lors d’un changement d’état.

Solution ⚓

Q3.

La température ne varie pas lors d'un changement d'état, et ce, jusqu'à la fin du changement d'état.

Question⚓

Q4. Que se passe-t-il lorsque l’on modifie la pression ?

Solution ⚓

Q4.

Si la pression est modifiée, la valeur de la température du changement d'état change également.

Si on diminue la pression, la température du changement d'état diminue.

📉 Diagramme Pression - température de l'eau ⚓

Définition : Le diagramme (P ; T) de l'eau

On étudie les changements d’état avec un diagramme Pression Vapeur qui indique le domaine d’existence (pression et température pour chaque état de la matière (solide, liquide et gaz).

La courbe de vaporisation s’arrête en un point appelé point critique au-delà duquel il n’est plus possible de distinguer liquide du gaz. On dit alors que le corps pur est sous forme de fluide supercritique. Ses propriétés sont intermédiaires entre celles d’un gaz et celles d’un liquide.

Le point où les trois courbes se croisent est le point triple : c’est le seul point ou les 3 liquides peuvent coexister.

Question⚓

Q5. Donner le nom des 4 domaines numérotés de 1 à 4.

Solution ⚓

Q5.

Domaine 1 : État gazeux ;
Domaine 2 : État liquide ;
Domaine 3 : État solide ;
Domaine 4 : État supercritique.

Question⚓

Q6. Donner le nom des 3 courbes (vaporisation, fusion et sublimation).

Solution ⚓

Q6.

Courbe 3/1 : courbe de sublimation ;
Courbe 3/2 : courbe de fusion ;
Courbe 2/1 : courbe de vaporisation.

Question⚓

Q7. Identifier les points A et B.

Solution ⚓

Q7.

Le point A est le point triple de l'eau ;
Le point B est le point critique.

📉 Diagramme Pression - température du dioxyde de carbone.⚓

Complément : 📄 Documents n°1 et n°2

Complément : 📄 Documents n°3 et n°4

Question⚓

Q8. Dans quels états de la matière se trouve le dioxyde de carbone au point triple ? Donner la température et la pression.

Données : \(1\ \mathrm{atm}=1\ 013\ \mathrm{hPa}=\)

Solution ⚓

Q8.

Au point triple, où \(\theta=-57\ \mathrm{^\circ C}\) et \(p=\mathbf{0,5\ \mathrm{MPa}}\), les trois états de la matière, solide, liquide et gazeux, coexistent.

Question⚓

Q9. En utilisant le document 4, justifier l’état du dioxyde de carbone dans la bouteille du document 1.

Solution ⚓

Q9.

Dans la bouteille \(p=57\ \mathrm{bar}=57 \cdot 10^5\ \mathrm{Pa}=5,7\ \mathrm{MPa}\) et \(\theta=20\ \mathrm{^\circ C}\).

Sur le graphique on peut lire que pour ces conditions de pression et de température, le dioxyde de carbone est à l'état liquide.

Question⚓

Q10. À La température de \(-80\ \mathrm{^\circ C}\) et à la pression de \(3\ \mathrm{kPa}\), quel est l’état physique du dioxyde de carbone ?

Solution ⚓

Q10.

En raison de la résolution limitée du graphique, il n’est pas possible de localiser précisément la pression de \(3\ \mathrm{kPa}\). Toutefois, l’analyse qualitative de la courbe de changement d’état du dioxyde de carbone suggère qu’à une température de \(-80\ \mathrm{^\circ C}\) et sous une pression de \(3\ \mathrm{kPa}\), celui-ci se trouve dans sa phase gazeuse. Cette déduction repose sur l’extrapolation du tracé des lignes de séparation des phases, en particulier la courbe de sublimation.

Question⚓

Q11. On parle de sublimation de la glace carbonique lorsqu’elle est laissée à température ambiante. Justifier.

Solution ⚓

Q11.

À partir du diagramme de phase, on peut déterminer graphiquement l’état physique du dioxyde de carbone. À température ambiante (environ 20 °C) et sous pression atmosphérique (101,3 kPa), le dioxyde de carbone se situe dans la région correspondant à la phase gazeuse.

Question⚓

Q12. À quelle température, et à quelle pression doit-on utiliser le dioxyde de carbone pour extraire la caféine du café ?

Solution ⚓

Q12.

Pour extraire la caféine du café, on utilise du dioxyde de carbone supercritique comme solvant. Il faut donc que l'on soit au minimum à \(31,04\ \mathrm{^\circ C}\) sous \(7,39\ \mathrm{MPa}\) pour avoir du \(\ce{CO2}\) supercritique.