TP : étude du changement de phase liquide-vapeur du corps

Parc des loges
MP 2014-2015
TP : étude du changement de phase liquide-vapeur du
corps pur SF6
I
Principe du TP
On veut étudier le changement de phase liquide ⇌ vapeur du corps pur SF . Pour cela, on dispose d'une
"machine à SF ". Une masse xe de SF est placée dans une éprouvette graduée en cm . On peut faire
varier le volume de l'éprouvette en agissant sur un volant : on fait ainsi monter (ou descendre le niveau de
mercure) ce qui fait varier le volume disponible au SF . La masse de SF étant constante (le système est
fermé), le volume massique varie proportionnelement au volume occupé par le SF . Un manomètre permet
de déterminer la pression du système.
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On va réaliser des compressions isothermes du SF à diérentes températures : en mesurant p = f (v)
à T=C , on déterminera expérimentalement les
.
Connaissant ces isothermes, on en déduira la relation p = f (T) d'équilibre liquide-vapeur.
En utilisant la formule de Clapeyron, on déterminera la chaleur latente de vaporisation du SF en
fonction de T.
Ce TP permettra de comprendre la signication des diagrammes de changement de phase (p, v) et
(p, T).
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isothermes d'Andrews
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II
Manipulations
Le bain étant thermostaté à l'aide d'une résistance chauante, il faudra faire les mesures dans l'ordre
des
. On fera des mesures à température ambiante, puis tous les 5 C,
1
températures croissantes
◦
TP : changement de phase liquide-vapeur
d'environ 30 C à 50 C. Chauer lentement l'eau du bain thermostaté et vérier, avant chaque mesure,
que l'équilibre thermique et l'équilibre mécanique sont bien atteints.
◦
◦
S'il apparaît un risque de débordement de la cuve avant l'amorçage de l'écoulement,
On modie le volume massique du SF en agissant sur le volant. On mesure le plus précisément
possible le volume à l'aide de l'éprouvette graduée et on mesure la pression correspondante. On trace
ainsi à T xée l'isotherme p = f (v).
Il faudra alors faire attention à ne jamais dépasser une pression de 45 bars
(au risque de transformer l'éprouvette en fusée...)
Tourner très lentement le volant en contrôlant en permanence l'augmentation ou la diminution de
pression, notamment lorsque le SF est uniquement sous forme liquide.
Vous verrez, pour une température inférieure à la temérature critique, un état de coexistence vapeur ⇌
liquide. La pression est approximativement constante lors de cet équilibre.
Lorsque toute la vapeur a été transformée en liquide, la pression augmente rapidement quand on
diminue le volume (car un liquide est très peu compressible).
Représenter directement (sur du papier millimétré) les points expérimentaux (p varie entre 5 et 45
bars et V entre 0 et 4 cm ).
arrêter immédiatement le thermostat.
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III
Interprétations
1. Tracer, avec soin, les isothermes expérmientales en coordonnées de Clapeyron p = f (v). Déterminer
par extrapolation les courbes de saturation, de rosée et d'ébullition. Donner approximativement les
coordonnées (p , T ) du point critique.
2. Déduire du graphe précédent, les courbes p = f (T) dénissant l'équilibre liquide vapeur et caractérisées par l'égalité G (p, T) = G (p, T). Ces paliers de pression dénissent la pression de vapeur
saturante et sont écrites généralement p (T).
3. Déterminer le graphe de la chaleur latente de vaporisation en fonction de la température, H (T).
Bien sûr cette grandeur dépend de la masse de SF que l'on a introduit dans l'éprouvette (et personne
ne la connaît). Il va falloir ruser pour l'obtenir.
4. Pour une isotherme donnée, choisir quelques points correspondant à la phase vapeur et tracer, pour
ces points, PV en fonction de P (coordonnées d'Amagat). Extrapoler, la courbe en p → 0. Quand la
pression est faible, que peut-on dire du gaz réel? En déduire la quantité n de SF puis la masse m,
sachant que la masse molaire est M=146 g/mol.
C
c
vm
ℓm
vs
ℓV
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