Chaleur - LD Didactic
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1. et finalement aussi dans la phase encore liquide En cas de d passement lent de la temp rature critique la limite de phase entre le liquide et le gaz s agite s largit et finit par dispara tre enti rement La phase liquide semble tre l g re ment marron peu avant la disparition de la couche limite L image projet e permet d observer cette disparition de la ligne de s paration entre la phase liquide et la phase gazeuse Ensuite l image s claircit nouveau puisqu il y a d sormais LEYBOLD Fiches d exp riences de physique une phase homog ne dans la chambre Il y a de fortes turbulen ces dans la chambre de pression avec formation de stries qui s estompent l g rement au fur et mesure que la temp rature augmente Ces turbulences sont le r sultat de gradients de temp rature dans la chambre de pression Refroidissement Une fois le chauffage arr t les stries disparaissent d abord presque compl tement leur formation s intensifiant n ammoins nouveau aux abords de la temp rature critique Au fond du r cipient on observe un l ger assombrissement cons cutif la formation de brouillard Tout le contenu de la chambre de pression semble de plus en plus rouge marron opalescence critique et il continue de se former de plus en plus de stries c Puis d un coup cela devient subitement sombre l int rieur de la chambre de pression le gaz se condense et on observe une hausse du niveau du liquide2. Au del de la temp rature critique la substance est gazeuse quelque soit la pression et les isothermes suivent l quation de Van der Waals qui se rapproche l de l quation d tat pour les gaz parfaits La substance est caract ris e de gaz P2 4 3 1 Mat riel 1 chambre de pression pour la temp rature critique 1 ampoule 6 V 30 W 1 carter de lampe 1 condenseur asph rique 1 transformateur 6 V 12 V 30 VA 1 petit banc d optique 1 lentille dans monture f 100 mm 1 prisme r flexion totale avec support 4 noix Leybold 1 grand pied en V 371 401 450 51 450 60 460 20 562 73 460 43 460 03 461 11 301 01 300 01 comme chauffage 1 thermostat de circulation 30 C 100 2 tuyaux en silicone int 7 x 1 5 mm 1 m 666 768 667 194 ou 1 g n rateur de vapeur 550 W 230 V 1 tuyau en silicone int 7 x 1 5 mm 1m 1 b cher 400 ml 303 28 667 194 664 104 pour la mesure de la temp rature 666 190 666 193 1 thermom tre num rique avec un raccord 1 sonde de temp rature NiCr Ni ou 1 thermom tre 10 150 C 382 33 En dessous de la temp rature critique les relations sont plus compliqu es Pour un volume suffisamment grand sur la fig 2 droite de la surface sur fond gris la substance est gazeuse et caract ris e de vapeur Pour un tr s petit volume gauche de la surface sur fond gris la substance est liquide et quasiment incompressible Dans le doma
3. LEYBOLD Fiches d exp riences de physique Monter le condenseur asph rique sur le carter de lampe R aliser le montage conform ment la fig 3 de fa on ce que la lampe les plaques de verre plan de la chambre de pression la lentille et le prisme r flexion totale soient sur un m me axe V rifier que les tuyaux soient bien branch s avant chaque mise en service pour qu il ne s chappe fortuitement ni vapeur d eau chaude ni eau chaude et qu il n y ait donc aucun d g t de caus Brancher la lampe au transformateur et projeter le contenu de la chambre de pression sur une surface claire par ex sur une feuille de papier blanc accroch e au mur Si besoin est r ajuster le dispositif En d pla ant la lentille sur le petit banc d optique faire en sorte que le m nisque soit projet avec nettet R alisation Remarques concernant l utilisation du g n rateur de vapeur Si on chauffe avec de la vapeur d eau la temp rature dans la chambre de pression atteint tr s rapidement le point critique et n est que difficilement contr lable L eau ne doit pas bouillir trop fortement dans le r cipient pour que l eau et la vapeur ne soient pas amen es ensemble dans la conduite chauffante Ne remplir le r cipient du g n rateur de vapeur avec de l eau qu au maximum sur 2 Cm Arr ter le g n rateur de vapeur d s que l eau se met bouillir Ne pas plonger dans l eau de condensation l extr
4. mit du tuyau dans le b cher afin d viter au refroidissement que le condensat froid soit aspir sous peine de risquer de d t riorer la chambre de pression par choc thermique Fig 3 Montage exp rimental pour l observation du point critique a montage complet avec le thermostat de circulation pour le chauffage de la chambre de pression La position exacte des divers composants sur le banc d optique d pend de l loignement de la surface de projection et peut tre trou v e par simple d placement de la lentille b partie du montage avec le g n rateur de vapeur pour le chauffage de la chambre de pression La description suivante concerne l utilisation du thermostat de circulation Obscurcir la pi ce pour l observation de l image projet e Mettre le thermostat de circulation en service et le r gler dans un premier temps sur 40 C A partir de 40 lentement augmenter la temp rature de consigne sur le thermostat de circulation afin de garantir un chauffement assez uniforme de la substance et de pouvoir parfaitement bien observer la disparition de la limite de phase Une fois la temp rature critique d pass e r gler la temp rature de consigne du thermostat de circulation en dessous de la temp rature critique Afin de r duire les influences de gradients de temp rature perturbateurs au dessus du volume de la chambre ven tuellement nouveau lentement augmente
5. proportion nelle celle du volume voir fig 1 Le rapport entre la pression p la temp rature T et le volume mol culaire V d un gaz parfait est d crit par l quation d tat pour les gaz parfaits pV RT 1 R 8 314 J constante du gaz mol K La plupart des gaz r els se rapprochent des propri t s du gaz parfait s ils sont suffisamment loign s de leur point de conden sation ou de liqu faction par ex temp rature ambiante et pour une pression atmosph rique proximit du point de conden sation donc sous une pression p lev e ou basse temp rature T les propri t s diff rent n ammoins nettement de celles du gaz parfait La densit du gaz augmente et les particules ne sont en moyenne plus trop loign es les unes des autres Le com portement de gaz r els est donn approximativement par l quation d tat de Van der Waals lot V 0 RT ll Les constantes de Van der Waals a b subordonn es la substance tiennent ici compte de l attraction mutuelle des parti cules gazeuses et de leur volume propre La fig 2 montre les isothermes d un gaz parfait dans un dia gramme pV L isotherme au point de flexion duquel il est possi ble d appliquer une tangente horizontale a une signification particuli re Le point de flexion est caract ris de point critique les grandeurs faisant partie de ce point sont la pression critique Po le volume mol culaire critique V et la temp rature critique To
6. 0906 Wi A N N d LEYBOLD Chaleur Transitions de phases Temp rature critique Objectifs exp rimentaux E Observation de la disparition de la ligne de s paration entre la phase liquide et la phase gazeuse sous l action LEYBOLD Fiches d exp riences de physique Observation de la transition entre la phase liquide et la phase gazeuse au point critique de la chaleur une temp rature sup rieure la temp rature critique E Observation de la formation de la limite de phase lors du refroidissement une temp rature inf rieure la temp rature critique E Observation de l opalescence critique Fig 1 Fig 2 V Diagramme pV avec les isothermes d un gaz parfait Diagramme pV avec les isothermes d une substance r elle Ily a un m lange liquide vapeur dans le domaine de la sur face sur fond gris Les deux petites fl ches indiquent le point critique Principes de base Un gaz parfait se caract rise par le fait qu il ne se condense pas lors du refroidissement jusqu au z ro absolu Cela n est jamais le cas dans la nature puisqu il faudrait que le gaz soit constitu de particules ayant la particularit d tre petites en comparaison avec leur cartement moyen m me basse temp rature et mis part les chocs lastiques de n exercer aucune interaction entre elles Si un gaz parfait est comprim temp rature cons tante l augmentation de la pression est inversement
7. Dans la phase gazeuse il y a du brouillard qui se condense peu peu Finalement la phase gazeuse devient de plus en plus claire la phase liquide bout encore Nouveau chauffage Le liquide se remet bouillir plus fortement ensuite la phase gazeuse semble l g rement jaune et la phase liquide rouge marron opalescence critique La limite de phase s largit et finit par compl tement dispara tre Juste au dessus de la temp ra ture critique la totalit du contenu de la chambre de pression devient uniform ment jaune marron ph nom ne s accompa gnant d une intense formation de stries et de violentes turbulen ces Pour finir la gamme de temp rature dans laquelle se manifeste la temp rature critique est d pass e et dans la cham bre de pression on ne voit plus que les stries occasionn es par les turbulences LEYBOLD DIDACTIC GMBH Leyboldstrasse 1 D 50354 H rth Phone 02233 604 0 Telefax 02233 604 222 Telex 17 223 332 LHPCGN D by Leybold Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of Germany Technical alterations reserved
8. ent de la temp rature critique Te sous l action de la chaleur puis finalement au refroidissement Les processus s observent soit directement dans la chambre soit par projection sur un mur La chambre de pression contient de l hexafluorure de soufre SF6 Sa densit critique il s agit de la valeur inverse du volume critique co ncide temp rature ambiante peu pr s bien avec la moyenne de la densit du liquide et de la densit du gaz C est temp rature ambiante que la chambre de pression a t peu pr s moiti remplie avec du gaz liqu fi de telle sorte qu il y ait un passage par le point critique de garanti en cas d augmen tation de la temp rature Voici les valeurs des variables thermodynamiques au point critique pour le SFe Temp rature critique To 318 7 K Pression critique pe 37 6 bar 3 de cm Volume mol culaire critique V 200 moi mo Montage Le montage exp rimental est repr sent sur la fig 3 Remarque quant l utilisation du g n rateur de vapeur Couper le tuyau en silicone en deux morceaux de 0 5 m de long afin d viter la formation de condensat dans le tuyau Avant de raccorder les tuyaux v rifier que le passage dans la conduite chauffante de la chambre de pression soit bien d gag en soufflant dedans Pour am liorer le contact thermique avant d ins rer la sonde de temp rature dans le trou appropri ajouter par ex un peu d eau P2 4 3 1
9. ine de la surface sur fond gris il Remarques de s curit La chambre de pression pour la temp rature critique est soumise une haute pression au moins 20 bars E Observez les conseils de s curit du mode d emploi E Ne desserrez en aucun cas les vis de fermeture Les joints utilis s pour tanch iser les plaques servent de valve de s curit en cas de surchauffe particuli rement importante Leur temp rature d utilisation maximale est de 100 E Pour la garantie d une grande long vit des joints vi ter si possible de chauffer la chambre de pression plus de 90 Tout particuli rement en cas de chauffage avec le g n ra teur de vapeur il y a risque de br lure et d chaudure aupr s de la chambre de pression du g n rateur de va peur des tuyaux et du r cipient collecteur E Eventuellement observer les conseils de s curit du mode d emploi du g n rateur de vapeur 303 28 E Ne pas toucher l appareil exp rimental tant qu il est chaud LEYBOLD Fiches d exp riences de physique y a un m lange liquide vapeur avec une part de vapeur qui augmente de gauche droite L quation de Van de Waals diff re ici de la r alit car suite au changement de volume temp rature constante il n y a que la part de vapeur du m lange qui varie pas sa pression Les sections de courbe trac es en pointill s qui correspondent l quation de Van de Waals doi vent tre remplac es par des droite
10. r la temp rature de consigne apr s qu elle soit descendue en dessous du point critique puis recommencer l exp rience P2 4 3 1 Exemple de mesure et exploitation L apparition des ph nom nes d crits ci apr s d pend de la vitesse laquelle la temp rature critique est d pass e Les effets produits lorsque la chambre de pression est chauff e surviennent en cas d utilisation du thermostat de circulation la r action est plus forte et plus rapide si on utilise le g n rateur de vapeur Chauffage Peu apr s que l on ait commenc chauffer il se forme des stries dans la phase liquide Ensuite le liquide se met bouillir et le condensat goutte de la paroi sup rieure de la chambre de pression Finalement on assiste aussi la formation de stries dans la phase gazeuse notamment au niveau de la couche limite Fig 4 Repr sentations du contenu de la chambre de pression a au dessous de la temp rature critique b la temp rature critique disparition de la limite de phase c au dessus de la temp rature critique Juste avant que la temp rature critique soit atteinte l eau bout tellement fort que la diffusion de la lumi re par le liquide non ho mog ne est diffuse cause des bulles de gaz L image projet e de la phase liquide est ainsi plus fonc e La formation de stries s intensifie c d tout d abord dans la phase gazeuse juste au dessus de la couche limite puis dans toute la phase gazeuse
11. s horizontales Celles ci indiquent la pression de la vapeur pour laquelle la vapeur et le liquide sont en quilibre Etant donn que le liquide et la vapeur n ont pas la m me densit ils sont s par s l un de l autre dans un champ de gravitation La densit de la vapeur augmente au fur et mesure que la temp rature augmente celle du liquide diminue A la temp rature critique les deux densit s co ncident Le liquide et la vapeur ne peuvent ici plus se diff rencier et sont parfaitement m lang s Aux abords du point critique la diffusion de la lumi re l int rieur de la chambre de pression devient particuli rement grande Il s agit l du ph nom ne dit opalescence critique Cette opales cence critique repose sur des variations de densit qui augmen tent fortement proximit du point critique parce que la compressibilit est grande cet endroit l et la r sistance par rapport aux variations de densit tr s faible La lumi re d ondes assez courtes est diffus e alors que celle d ondes longues reste dans la marche des rayons De tels comportements peuvent tre d montr s avec la cham bre de pression pour la temp rature critique Pour le chauffage la gaine de la chambre de pression est remplie d eau chaude ou de vapeur d eau chaude Les deux plaques de verre plan r sistantes la pression permettent d observer le comporte ment de la substance ins r e l int rieur de la chambre lors du d passem
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