Transcript Propriétés thermodynamiques de l `atmosphère

L ’eau dans la planète Terre
La substance eau
Vapeur
H 2O
Liquide
Solide
La vapeur d ’eau:
Gaz parfait?
Discutons
Puisque dans l’air atmosphérique ne contient qu ’une petite
pourcentage de vapeur d ’eau, l’erreur commise est petite.
H 2O
: caractéristiques thermodynamiques
*
R
e  RvT , Rv 
, M v  18
Mv
Rv =
461 m2s-2K-1
Cpv = 1850 m2s-2K-1
La vapeur d ’eau:
H 2O
: caractéristiques thermodynamiques
Équation d ’état :
e  RvT
Enthalpie :
dhv  c pv dT
c pv  cv  Rv
Entropie :
dT
d
ds  cvv
 Rv
T

dT
dp
ds  c pv
 Rv
T
p
Eau liquide
H 2O liquide: caractéristiques thermodynamiques
Équation d ’état :
w  constant  10 kg m
Enthalpie :
hw  hw,r  cw T  Tr 
3
cw  4187 m s K
2 -2
Entropie :
-1
T
sw  sw,r  cw ln
Tr
-3
Eau solide : la glace
H 2O solide : caractéristiques thermodynamiques
3
-3


constant

9.2

10
kg
m
Équation d ’état : i
i  constant  1.091103 m3kg -1
Enthalpie :
hi  hi ,r  ci T  Tr 
Entropie :
T
si  si ,r  ci ln
Tr
La substance eau
Thermodynamique des
changements de phase
Définition de phase:
toute partie homogène d ’un système
Partie homogène:
toutes les parties du système qui possèdent
les mêmes propriétés physico-chimiques
macroscopiques.
Conditions d ’équilibre dans un
système à plusieurs phases
On peut déduire la condition d'équilibre des phases
des postulats de la thermodynamique
Équilibre thermique
Équilibre mécanique
Équilibre de masse entre les phases
La quantité de masse de chaque
constituant en moyenne ne varie pas
L ’eau dans l ’atmosphère
L ’eau dans l ’atmosphère
L ’eau dans l ’atmosphère
L ’eau dans l ’atmosphère
Thermodynamique des
changements de phase
Définition de phase:
toute partie homogène d ’un système
Exemples:
Air sec + la vapeur d ’eau: nb. de phases ?
Air sec + vapeur d ’eau + nappe d ’eau liquide
?
Air sec + vapeur d ’eau + gouttelettes d’eau liquide
Air sec + vapeur d ’eau + cristaux de glace
?
?
Phase stable à T, p
La thermodynamique permet de prédire la phase
stable d ’un système à une certaine température
et pression.
La phase dans laquelle un corps pur se trouve dépend
de la température et de la pression.
C ’est la phase pour laquelle l ’ énergie libre G est la
plus faible.
Phase stable à T, p
On représente graphiquement les états stables d ’une
substance pure sur un diagramme p(T) que s ’appelle
diagramme de phase
Ce diagramme est construit en examinant la variation
de G avec la température.
Fonction d ’état pour le cas des
changements de phase
dg  dh  Tds  sdT
dg  du  pd   dp  Tds  sdT
 q Tds
dg   dp  sdT
Quelle est la phase stable ?
dg   dp  sdT
Si la température et la pression sont constantes
l ’énergie libre de Gibbs ne peut que décroître:
dg  0
La phase la plus stable est celle à laquelle
que correspond à l ’énergie de Gibbs la plus faible.
Variation de G avec T et p
processus réversible et à l ’équilibre
dG  Vdp  SdT
 G 
 G 
dG  p, T   
 dp  
 dT
 T  p
 p T
 G 
 G 

  V , et 
  S
 T  p
 p T
Variation de G avec p
processus réversible et isotherme
 G 

 V  0
 p T
Vgaz (T )  Vliq (T )
L ’augmentation
de la pression peut provoquer
la liquéfaction du gaz
Ggaz  Gliquide
Variation de G avec T
processus réversible et isobare
 G 

  S  0
 T T
Sgaz ( p)  Sliq ( p)
À pression constante le
chauffge d ’un liquide peut
provoquer sa vaporisation
Ggaz  Gliquide
G à température et pression
constante
Point d ’équilibre
système à 2 phases
gaz + liquide
Le système contient
les deux phases dans des
proportions qui dépendent
des autres variables d ’état.
Exemple
G à température et pression
constante
On peut varier la proportion de liquide et de gaz du
système en changeant la proportion de liquide et de
gaz (variant le volume total du système) à
température et pression constantes
G à température et pression
constante
Gsyst  mgaz g gaz  mliq gliq
 (mgaz  mliq ) gliq
 (mgaz  mliq ) g gaz
?
g1  p, T   g2  p, T 
G à température et pression
constante
Une des conditions d ’équilibre entre les phases est
l ’égalité de l ’énergie spécifique des deux phases
en présence, ceci permet de prédire de diagramme de
phases:
gv  p, T   gl  p, T 
vaporisation
gl  p, T   gi  p, T 
solidification
gi  p, T   gv  p, T 
sublimation
Diagramme de phase
solide
+ liquide
liquide
solide
vapeur
+ liquide
vapeur
+ solide
vapeur
Diagramme de phase dans le
plan p(T)
p
Pc = 220 598
mb
liquide
Courbe de fusion
ou solidification
Pt = 6.11 mb
Courbe de vaporisation
ou condensation
solide
Point triple
vapeur
Courbe de sublimation
ou condensation solide
pc
Tt= 0,0098 ºC
gaz
T
Tc= 373,84 ºC
Températures critiques
Points triples
Il est impossible de condenser un gaz dont la
température est supérieure à Tc.
Les quantités pc, c, et Tc sont appelées constantes
critiques. Les données pt, Tt sont appelées les données
du point triple.
Air sec
pc = 37 691 mb
c = 3 10-3 m-3 kg-1
Tc = 132,3 K
Eau
pc = 220 598 mb
c = 3.15 10-3 m-3 kg-1
Tc = 647 K
pt = 6,11 mb
Tt = 0.0098 = 273,16
Pression de vapeur saturante
La pression de vapeur saturante est la pression à
laquelle une substance pure placée seule à une
température donnée constante, est en équilibre
avec sa vapeur.
Dans le diagramme de phase p(T), la pression
saturante du liquide sera la ligne d ’équilibre
liquide - vapeur.
De même la pression saturante du
solide est donnée par la ligne d ’équilibre
solide - vapeur
Pression de vapeur saturante en
présence d ’autres gaz
Si de l ’eau est placé dans l ’air sous une certaine
pression totale, la pression de vapeur saturante du
liquide est la pression partielle de la vapeur d ’eau
à l ’équilibre avec le liquide à la température
considérée.
Comment varie la pression de la vapeur saturante
avec la pression totale ?
 liq
 pvapeur 

 
 ptotale T  gaz
Conclusion
?
Pression de vapeur saturante en
présence d ’autres gaz
Conclusion
3
es l 10
5


 0,5 10
p  w 200
Questions
Pourquoi un tissu mouillé sèche plus vite à l ’extérieur
qu ’à l ’intérieur?
Pourquoi,malgré la quantité immense d ’eau disponible
pour l ’évaporation (les océans), l ’atmosphère
terrestre est très souvent sous-saturée?