Caractéristiques du point triple de l'eau, du cyclohexane et du benzène



Le point triple est un terme dans le domaine de la thermodynamique qui fait référence à la température et à la pression dans lesquelles il y a simultanément trois phases d'une substance dans un état d'équilibre thermodynamique. Ce point existe pour toutes les substances, bien que les conditions dans lesquelles elles sont obtenues varient énormément entre elles.

Un point triple peut également impliquer plus d'une phase du même type pour une substance spécifique; c'est-à-dire que deux phases différentes de solide, de fluide ou de gaz sont observées. L’hélium, en particulier son isotope à l’hélium 4, est un bon exemple de triple point impliquant deux phases fluides: le fluide normal et le fluide superfluide.

Index

  • 1 Caractéristiques du point triple
  • 2 point d'eau triple
  • 3 Point triple du cyclohexane
  • 4 Point triple du benzène
  • 5 références

Caractéristiques du point triple

Le point triple de l'eau est utilisé pour définir le Kelvin, l'unité de base de la température thermodynamique dans le système international d'unités (SI). Cette valeur est fixée par définition au lieu de mesurée.

Les points triples de chaque substance peuvent être observés à l’aide de diagrammes de phase, qui sont des graphiques tracés qui permettent de démontrer les conditions limites des phases solide, liquide, gazeuse (et d’autres, dans des cas particuliers) ils exercent des changements de température, de pression et / ou de solubilité.

Une substance peut être trouvée à son point de fusion dans lequel le solide rencontre le liquide; On peut également le trouver à son point d'ébullition où le liquide rencontre le gaz. Cependant, c'est au triple point où les trois phases sont atteintes. Ces diagrammes seront différents pour chaque substance, comme on le verra plus loin.

Le point triple peut être utilisé efficacement dans l'étalonnage des thermomètres, en utilisant des cellules triples.

Il s’agit d’échantillons de substances isolées (à l’intérieur de «cellules» de verre) à leur triple point avec des conditions de température et de pression connues, ce qui facilite l’étude de la précision des mesures thermométriques.

L'étude de ce concept a également été utilisée dans l'exploration de la planète Mars, dans laquelle il a été tenté de connaître le niveau de la mer lors des missions effectuées dans les années 1970.

Triple point d'eau

Les conditions précises de pression et de température auxquelles l'eau coexiste dans ses trois phases en équilibre - eau liquide, glace et vapeur - apparaissent à une température de exactement 273,16 K (0,01 ° C) et une pression partielle de vapeur. 611 656 pascals (0,00603659 atm).

À ce stade, il est possible de convertir la substance en l'une des trois phases avec des changements minimaux de température ou de pression. Bien que la pression totale du système puisse être située au-dessus de la valeur requise pour le point triple, si la pression partielle de vapeur est de 611 656 Pa, le système atteindra le point triple également.

Il est possible d’observer dans la figure précédente la représentation du point triple (ou point triple, en anglais) d'une substance dont le diagramme est similaire à celui de l'eau, en fonction de la température et de la pression requises pour atteindre cette valeur.

Dans le cas de l'eau, ce point correspond à la pression minimale à laquelle de l'eau liquide peut exister. À des pressions inférieures à ce triple point (par exemple, dans le vide) et lorsqu'un chauffage à pression constante est utilisé, la glace solide se convertira directement en vapeur d'eau sans traverser de liquide; C'est un processus appelé sublimation.

Au-delà de cette pression minimale (Ptp), la glace fondra d'abord pour former de l'eau liquide, et alors seulement elle s'évaporera ou bouillira pour former de la vapeur.

Pour de nombreuses substances, la valeur de température à son point triple est la température minimale à laquelle la phase liquide peut exister, mais cela ne se produit pas dans le cas de l'eau. Pour l'eau, cela ne se produit pas, car le point de fusion de la glace diminue en fonction de la pression, comme le montre la ligne pointillée verte de la figure précédente.

Dans les phases de haute pression, l’eau présente un diagramme de phases assez complexe, dans lequel sont représentées quinze phases de glace connues (à différentes températures et pressions), en plus de dix points triples différents visualisés dans la figure suivante:

On peut noter que, dans des conditions de haute pression, la glace peut être en équilibre avec le liquide; le diagramme montre que les points de fusion augmentent avec la pression. À basses températures constantes et à pression croissante, la vapeur peut être transformée directement en glace, sans passer par la phase liquide.

Les différentes conditions qui se produisent dans les planètes où le point triple a été étudié (Terre au niveau de la mer et dans la zone équatoriale de Mars) sont également représentées dans ce diagramme.

Le diagramme montre clairement que le point triple varie en fonction de l'emplacement pour des raisons de pression atmosphérique et de température, et pas seulement par l'intervention de l'expérimentateur.

Point triple du cyclohexane

Le cyclohexane est un cycloalcane dont la formule moléculaire est C6H12. Cette substance a la particularité d'avoir des conditions de point triple faciles à reproduire, comme dans le cas de l'eau, puisque ce point se situe à une température de 279,47 K et à une pression de 5,388 kPa.

Dans ces conditions, on a observé que le composé bouillait, se solidifiait et fondait avec des changements minimaux de température et de pression.

Benzène triple point

Dans un cas similaire au cyclohexane, le benzène (composé organique de formule chimique C6H6) a facilement reproduit les conditions du triple point dans un laboratoire.

Ses valeurs sont 278,5 K et 4,83 kPa, il est donc également courant d'expérimenter ce composant au niveau débutant.

Références

  1. Wikipedia. (s.f.) Wikipedia. Récupéré de en.wikipedia.org
  2. Britannica, E. (1998). Encyclopédie Britannica. Récupéré de britannica.com
  3. Power, N. (s.f.). Énergie nucléaire. Récupéré de nuclear-power.net
  4. Wagner, W., Saul, A. et Prub, A. (1992). Equations internationales pour la pression le long de la fonte et le long de la courbe de sublimation de l'eau ordinaire. Bochum
  5. Penoncello, S.G., Jacobsen, R.T. et Goodwin, A.R. (1995). Une formulation de propriété thermodynamique pour le cyclohexane.