L’ÉQUILIBRE LIQUIDE-VAPEUR AVEC SF6.

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PROPRIÉTÉS THERMOÉLASTIQUES DU CORPS PUR SF6

But du TP: Étude des propriétés thermoélastiques d’un corps pur (ici SF6). Relevé de la

courbe de pression de vapeur saturante en fonction de la température. Étude qualitative des propriétés du fluide au voisinage du point critique.

1. Description de l'appareil.

L'appareil contient de l'hexafluorure de soufre (SF6), de para-

mètres critiques faciles à atteindre (Voir § 2.2.). (1) : éprouvette en verre épais, graduée de 0 à 4 ml. (2) : chambre de pression (2), contenant du mercure dont le

fond est fermé par une membrane étanche. (3) : manomètre donnant la pression (en bars) du fluide. (4) : volant de réglage du volume offert au fluide. (5) : cuve transparente.

Ne jamais faire varier pression volume ou

température si l'éprouvette n'est pas entièrement plongée dans l'eau.

Mise en marche et réglage du bain thermostaté.

Vérifier que le thermostat est réglé à température ambiante (de fa-çon à ne pas chauffer initialement l’eau).

Boucher avec la main l’extrémité haute de la cuve et mettre la pompe

en action : l’eau monte dans la cuve transparente. Attendre avant d’ôter la main que s’amorce la circulation d’eau via le tuyau d’évacuation du trop plein.

Coupez la pompe en cas de débordement !

La température précise du thermostat sera lue sur un thermomètre numérique plongeant

dans l'eau entourant l'éprouvette : placer le capteur dans la partie haute de l’éprouvette.

2. Mesures et résultats.

2.1. Relevé de la courbe de pression de vapeur saturante (35 min maxi !).

Il s’agit de relever quelques valeurs de la pression de vapeur saturante pour différentes va-leurs de T et de les comparer à la courbe jointe PS(T).

Dans cette manipulation, l'équilibre thermique ne sera jamais at-teint, car T augmentera sans cesse. Cependant, l'équilibre mécanique est toujours obtenu beaucoup plus rapidement que l'équilibre thermique. La température de l'eau entourant l'éprouvette variant lentement, on peut effectuer une mesure de pression "au vol" à T bien définie.

Le thermostat de chauffage du bain étant réglé au plus bas, manœuvrez le volant de façon à

obtenir une vapeur juste saturante : vous mesurez ainsi la pression d’équilibre liq - vap à température ambiante. Notez ces valeurs.

Augmentez progressivement la température du thermostat et au fur et à mesure que

la température augmente (tous les 2 ou 3°C environ), tournez le volant pour recher-cher le palier de liquéfaction correspondant au domaine biphasé liquide-vapeur et notez

la pression correspondante à cette température, soit PS(Temp). Augmentez ainsi la

température du thermostat jusqu’à 43 °C environ.

Reportez-vous à la courbe donnant les variations de PS en fonction de la température.

Précisez les domaines du liquide, de la vapeur et de l'équilibre liquide-vapeur. Cette courbe s'arrête au point critique: pourquoi ?

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2.2. Exploitation du réseau d'isothermes (voir les courbes jointes).

Les coordonnées critiques de SF6 sont Pc = 38 bars et Tc = 45,5 °C.

2.2.1. Isothermes en coordonnées de Clapeyron.

Tracez la courbe de saturation et précisez la position de la courbe d'ébullition ainsi que celle de rosée. En déduire les valeurs des volumes, à 25 °C, du liquide saturant VLiq et

de la vapeur saturante VGaz. Précisez les domaines d'existence du liquide, de la vapeur

et du mélange liquide-vapeur. 2.2.2. Variations du facteur de compressibilité Z en fonction de la pression.

On visualise les courbes Z = f(P), avec RT

PVZ pour les différentes températures Ti

précédentes. Z est appelé facteur de compressibilité du fluide. Que vaut Z pour un gaz parfait ? Quelle serait alors l’allure du diagramme Z(P) ?

Montrez comment on peut déterminer à partir du diagramme Z(P) la quantité de ma-tière du gaz contenu dans l'éprouvette. En déduire la masse de SF6 utilisée.

On donne la masse molaire de SF6 : MSF6 = 146 g/mol.

2.3.Détermination de la chaleur latente de vaporisation de SF6 à 25 °C.

1: Déterminez en usi (!) la pente a = dPS/dT de la courbe de pression de vapeur saturante à

25 °C (attention aux unités employées !).

2: Mesurez sur le réseau d’isothermes fourni les valeurs du volume du liquide saturant Vliq et

de la vapeur saturante Vgaz à 25 °C.

3 : Calculez à partir de la formule de Clapeyron la chaleur nécessaire Q pour vaporiser le fluide contenu dans l'éprouvette.

En déduire la valeur de la chaleur latente massique de vaporisation du gaz à 25 °C: V

Qm

.

3. Continuité de l'état liquide et de l'état gazeux (comptez au moins 20 min !).

La distinction liquide – gaz n’a de sens que pour des températures inférieures à la tempéra-ture critique, comme le montre l'expérience suivante dite « de contournement du point cri-tique », mettant en évidence la continuité de l'état liquide et de l'état gazeux.

Réalisez le cycle suivant et lisez dès à présent les remarques ci-dessous :

Trajet abc: Détente le long d'une isotherme sub-critique (prendre

par exemple T 42 °C) à partir d'un point a à l'intérieur de la

courbe de saturation vers un point c extérieur (par exemple vc

0,5 ml). Au point b, le ménisque disparaît vers le bas de l'éprou-vette, indiquant la disparition de la phase dense.

Trajet cd: Élévation de température à volume constant au delà du

point critique. (ne pas monter au delà de T 48°C).

Trajet de: Compression isotherme (gardez un œil sur le mano-

mètre pour ne pas dépasser 50 bars !) jusqu’à v 0,20 à 0,25 ml.

Trajet efga: Refroidissement à volume constant en dessous du point critique jusqu’à l'iso-therme initiale (mettre de l’eau froide dans le bain thermostaté).

Au point g, le ménisque réapparaît vers le haut indiquant la présence de la phase liquide dans le tube.

Pendant le parcours bcdefg, le fluide aura été successivement à l'état de vapeur, à l'état hypercritique et à l'état liquide, sans que l'on

puisse à aucun moment observer une transition entre ces états.

P

V

a

b

c

d

e

f

g

Cr

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Remarques:

1. Aspects du ménisque à différentes températures.

Observez l'allure du ménisque séparant les deux phases: sa courbure diminue quand la tem-pérature augmente. Près de la température critique, il est absolument plat. Puis, au passage des conditions critiques, il disparaît progressivement en donnant une zone floue, très lente à disparaître.

2. Le phénomène d'opalescence critique.

La présence d'irrégularités de densité au sein d'un milieu provoque la diffusion de la lumière. Or, au voisinage des conditions critiques, de fortes fluctuations de densité se manifestent dans les fluides. L'intensité de la lumière diffusée est une fonction fortement décroissante de la lon-

gueur d'onde (de l'ordre de 1/4). Ainsi un faisceau incident de lumière blanche donne lieu à un

faisceau nettement bleuté : c'est l'opalescence critique. Expérimentalement, ce phénomène est observé lors d'un refroidissement du fluide initiale-ment amené à une température supérieure à la température critique (de 1 à 2 degrés par exemple). L'opalescence, puis le brouillard, restent localisés au voisinage du milieu du tube, sur l'ancien emplacement du ménisque.

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2. Exploitation des réseaux d'isothermes.

Volume de la vapeur saturante VG = ______ ml

calculés à T = 25 °C.

Volume du liquide saturant VL = ______ ml

Valeur du facteur de compressibilité Z pour un gaz parfait : ZGP = ______.

Allure des courbes Z(P) pour un gaz parfait

Quantité de matière du fluide contenu dans l'éprouvette. n = _________

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3. Chaleur latente de vaporisation.

Masse de fluide contenu dans l’éprouvette : m = ________ dPS/dT à 25 °C : a = ________ (précisez l’unité employée !)

Chaleur nécessaire pour vaporiser la masse m de fluide contenu dans l'éprouvette:

Q = _________ (Êtes-vous sûr de l’unité ?)… Chaleur latente massique de vaporisation: Lvap = ____________ (n’oubliez pas l’unité !). (Valeur tabulée à 25 °C : Lvap = 61.6 kJ/kg).