Equilibre Liquide-vapeur
L'équilibre liquide-vapeur : une transition fondamentale
La vaporisation, c'est-à-dire le passage d'un état liquide à un état gazeux, est un phénomène omniprésent dans la nature et dans l'industrie. Comprendre les mécanismes sous-jacents à cette transition de phase est essentiel pour de nombreuses applications, de la distillation à la météorologie.
La vaporisation : un processus dynamique
La vaporisation est un processus dynamique au cours duquel les molécules d'un liquide acquièrent suffisamment d'énergie cinétique pour s'échapper de la surface du liquide et passer en phase gazeuse. Ce phénomène est influencé par plusieurs facteurs :
- La température : Plus la température est élevée, plus les molécules sont agitées et plus la vitesse de vaporisation est grande.
- La pression : Une diminution de la pression favorise la vaporisation en abaissant la température d'ébullition.
- La nature du liquide : Les forces intermoléculaires influencent la facilité avec laquelle les molécules peuvent s'échapper de la phase liquide.
L'équilibre liquide-vapeur
Lorsqu'un liquide est placé dans un récipient fermé, un équilibre s'établit entre la phase liquide et la phase vapeur. La pression exercée par la vapeur sur les parois du récipient est appelée pression de vapeur saturante. Cette pression ne dépend que de la nature du liquide et de la température.
Diagramme de phase
Le diagramme de phase d'une substance pure représente les conditions de pression et de température auxquelles coexistent les différentes phases (solide, liquide, gaz, super-critique, , , etc.). La courbe de vaporisation sépare les zones de stabilité des phases liquide et gazeuse.
Les différents types de vaporisation
- Évaporation : Vaporisation lente à la surface du liquide.
- Ébullition : Formation de bulles de vapeur à l'intérieur du liquide.
- Caléfaction : Formation d'un film de vapeur isolant autour d'un objet chaud plongé dans un liquide.
Applications de l'équilibre liquide-vapeur
- Distillation : Séparation de mélanges liquides en fonction de leurs différents points d'ébullition.
- Réfrigération : Utilisation de fluides frigorigènes qui se vaporisent en absorbant de la chaleur.
- Météorologie : Formation des nuages, évaporation des océans.
- Industrie chimique : Procédés de séchage, de cristallisation.
Le titre de vapeur
Le titre de vapeur est une grandeur physique fondamentale utilisée pour caractériser l'état d'un mélange liquide-vapeur. Il quantifie la proportion de vapeur par rapport à la masse totale du mélange. Cette notion est d'une importance capitale dans de nombreux domaines, notamment en thermodynamique, en génie chimique et en énergétique.
Définition et calcul du titre de vapeur
Le titre de vapeur, noté généralement x, est défini comme le rapport de la masse de vapeur sur la masse totale du mélange liquide-vapeur :
Le titre de vapeur est une grandeur sans unité et varie entre 0 et 1 :
- x = 0: Le mélange est constitué uniquement de liquide (eau liquide).
- x = 1: Le mélange est constitué exclusivement de vapeur (vapeur sèche).
- 0 < x < 1: Le mélange est un mélange liquide-vapeur (vapeur saturée humide ou vapeur humide).
Interprétation physique du titre de vapeur
Le titre de vapeur représente la "qualité" de la vapeur. Plus le titre est élevé, plus la vapeur est "sèche", c'est-à-dire qu'elle contient moins de gouttelettes d'eau en suspension.
Importance du titre de vapeur
Le titre de vapeur joue un rôle crucial dans de nombreux domaines :
- Thermodynamique : Il intervient dans les calculs de bilan énergétique, particulièrement pour déterminer les échanges thermiques lors des changements de phase.
- Génie chimique : Il est utilisé dans les procédés de distillation, de séchage et de production de vapeur.
- Énergétique : Il est essentiel pour le dimensionnement des turbines à vapeur et des échangeurs de chaleur.
Mesure du titre de vapeur
La mesure du titre de vapeur peut être réalisée par différentes méthodes :
- Méthodes calorimétriques : En mesurant la quantité de chaleur nécessaire pour transformer un mélange liquide-vapeur en vapeur saturée.
- Méthodes volumétriques : En mesurant le volume spécifique du mélange et en le comparant aux volumes spécifiques du liquide saturé et de la vapeur saturée.
- Méthodes optiques : En utilisant des techniques de diffusion de la lumière pour déterminer la concentration de gouttelettes d'eau dans la vapeur.
Le titre de vapeur est une notion fondamentale en thermodynamique qui permet de caractériser l'état d'un mélange liquide-vapeur. Sa maîtrise est essentielle pour optimiser les procédés industriels et comprendre les phénomènes physiques liés aux changements de phase.
Équilibre liquide-vapeur en vase clos : Tension de vapeur
Lorsqu'un liquide est placé dans un récipient clos à température constante, un équilibre dynamique s'établit entre la phase liquide et la phase vapeur. Les molécules du liquide s'échappent continuellement de la surface pour former de la vapeur, tandis que les molécules de vapeur retournent à l'état liquide. Lorsque le nombre de molécules passant d'un état à l'autre est égal, on atteint un état d'équilibre.
La tension de vapeur
La pression exercée par la vapeur saturée à l'équilibre est appelée tension de vapeur ou pression de vapeur saturante. Elle est généralement notée .
Caractéristiques de la tension de vapeur :
- Constante à température constante : Pour une substance pure donnée, la tension de vapeur est constante à une température donnée. Cela signifie que tant qu'il y a du liquide en présence, la pression de la vapeur ne changera pas tant que la température reste constante.
- Augmente avec la température : La tension de vapeur augmente avec l'augmentation de la température. En effet, à plus haute température, les molécules ont plus d'énergie cinétique et il est plus facile pour elles de s'échapper de la phase liquide.
- Indépendante de la quantité de liquide : La tension de vapeur ne dépend pas de la quantité de liquide présente tant qu'il y a au moins une petite quantité de liquide en équilibre avec sa vapeur.
Importance de la tension de vapeur :
La tension de vapeur est une propriété physique importante qui intervient dans de nombreux phénomènes :
- Ébullition : Un liquide bout lorsque sa tension de vapeur égale la pression atmosphérique.
- Distillation : La distillation repose sur les différences de tension de vapeur entre les différents composants d'un mélange.
- Séchage : La vitesse de séchage d'un liquide dépend de sa tension de vapeur.
La tension de vapeur est une caractéristique fondamentale d'un liquide qui décrit sa tendance à s'évaporer. Elle est déterminée par la nature du liquide et la température. La compréhension de la tension de vapeur est essentielle pour de nombreuses applications en chimie, en physique et en génie chimique.
La chaleur latente de vaporisation
La chaleur latente de vaporisation est la quantité d'énergie nécessaire pour transformer une unité de masse d'un liquide en vapeur à température constante. Cette énergie est utilisée pour rompre les liaisons intermoléculaires et permettre aux molécules de passer en phase gazeuse.
En conclusion
L'équilibre liquide-vapeur est un phénomène primordial qui trouve de nombreuses applications dans notre vie quotidienne et dans l'industrie. La compréhension des concepts clés tels que la pression de vapeur saturante, la chaleur latente de vaporisation et le diagramme de phase est essentielle pour maîtriser ce phénomène.