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Juin 26

Cyclohexane et Youtube

Ce soir, un de mes élèves de 1ereS (qui révise donc activement son oral de français) m’a envoyé cette vidéo. On y voit du cyclohexane mis “sous vide” qui se met très nettement à bouillir et à geler en même temps.

L’explication se trouve succinctement sur les commentaires Youtube, en anglais. Elle est reprise en français de façon assez erronée sur les commentaire Facebook. En tant que prof de physique, je ne pouvais laisser les choses en l’état. Me voici donc, armée de mon joli diagramme des phases pour rétablir la vérité sur le point triple et la notion d’équilibre.

La notion d’équilibre d’abord (si vous n’avez pas encore votre bac S ou que vous l’avez eu il y a longtemps). On en parle très peu en classe en fait. Un petit peu en TleS. Perso, j’en parle en 1ereS à propos de la distillation fractionnée mais je suis la seule prof de physique de ma connaissance à faire ça. L’équilibre, c’est à la fois simple et plein d’implication. Ca veut dire que, tout système physique (= notre objet physique d’étude) laissé tranquille va évoluer jusqu’à ne plus évoluer. Quand il arrêtera d’évoluer, on appelle ça l’équilibre. Concrètement, si je lâche ma trousse Caribou, elle va bouger (assez vite vers le sol) puis, elle arrêtera de bouger (quand elle sera sur le sol). Quand elle bouge, on dit qu’on est hors équilibre, quand elle ne bouge pas, c’est l’équilibre. Facile non ?

L’explication de la vidéo sur Facebook et ce site très sérieux, c’est de dire que le cyclohexane est au point triple. Qu’est-ce que donc que le point triple ?

En fait, l’eau liquide par exemple (mais c’est vrai pour tous les liquides), coexiste avec sa vapeur d’eau pour une pression appelée “pression de vapeur saturante”. Concrètement, si je met de l’eau dans une bouteille à moitié vide, une partie de l’eau va s’évaporer jusqu’à ce que la pression en eau dans la bouteille soit égale à cette “pression de vapeur saturante. Et on aura l’équilibre. L’eau va arrêter de s’évaporer, si je 2 mois après, il y aura toujours dans ma bouteille.Si je laisse la bouteille ouverte maintenant, l’eau va continuer à s’évaporer, mais la pression en eau ne pourra pas changer (puisque la bouteille est ouverte et en contact avec l’atmosphère). On ne pourra jamais atteindre cette fameuse pression de vapeur saturante. Donc l’équilibre ne pourra jamais être atteint. Le système va évoluer jusqu’à ce que toute l’eau se soit évaporée.C’est d’ailleurs pour ça que ton linge sèche, même quand il fait moins de 100 °C dehors.

Maintenant il existe UNE SEULE valeur de pression et de température pour laquelle les 3 états de l’eau peuvent coexister A L’EQUILIBRE. Si je met un glaçon, de l’eau liquide et de la vapeur d’eau à cette température, dans une bouteille à cette pression, il ne va rien se passer. On aura : un glaçon dans de l’eau avec de la vapeur d’eau au dessus. Et ça ne bougera pas. On peut revenir 10 ans après, si ta bouteille est bien étanche, on auras toujours le glaçon, l’eau et la vapeur d’eau dedans.Il est évident que dans la vraie vie, on n’est pas au point triple : mon glaçon fond dans mon Coca !!!

Il est également que le cyclohexane de la vidéo n’est pas au point triple, on le voit évoluer à l’oeil nu, il n’est donc pas à l’équilibre. Mais alors, que ce passe-t-il ?

Le plus simple, c’est de se servir d’un diagramme de phase. Ce diagramme représente l’état dans lequel se trouve le corps pur (ici le cyclohexane) à l’équilibre. En ordonnée, la pression, en abcisse, la température.

diagramme de phase

Au départ, notre cyclohexane est dans un ballon. On peut supposer qu’il est dans son ballon fermé depuis longtemps et que donc, quand on commence, on est à l’équilbre. Dans le ballon, on trouve du cyclohexane gaz et du cyclohexane liquide. On est donc sur la courbe bleue (la limite entre le liquide et le gaz). Flèche 1 : On fait le vide dans le ballon, on descend donc la pression. C’est assez rapide donc on suppose que la température n’a pas le temps de changer. On se déplace donc verticalement sur le diagramme. On n’est plus sur l’équilibre, on est en plein dans le domaine du gaz. Le cyclohexane va donc s’évaporer (puisqu’il cherche à atteindre l’équilibre).

Flèche 2 : Le cyclohexane en s’évaporant va faire descendre la température (la chaleur latente de vaporisation est négative). Exactement comme n’importe quel liquide, comme l’eau par exemple (on a plus froid quand on est mouillé, on s’en rend compte tous les jours quand on sort de la douche)

Bien sûr, les flèches 1 et 2 ont lieu en même temps, j’ai séparé pour simplifier (en thermo, on a le droit de faire ça, de sombres histoires de variables d’état)

Etape 3 (à partir de 0:14) à force de faire descendre la température et la pression, le système rencontre la courbe rouge. Maintenant, c’est le cyclohexane doit être solide pour être à l’équilibre. Qu’à cela ne tienne, il se solidifie (on le voit très bien sur la vidéo à la 14e seconde). Mais, la solidification fait augmenter la température (la chaleur latente de condensation en phase solide est positive). On repasse à droite de la courbe rouge. Mince, le cyclohexane doit être gazeux pour être à l’équilibre. Alors, il bout, mais du coup il s’évapore. Et se retrouve à gauche. Donc il se solidifie, repasse à droite, etc, etc.

En fait, il oscille entre les deux côtés de la courbe rouge. Et il bout et se solidifie successivement (et non en même temps comme le dit la vidéo, on le voit bien).

Alors, qu’est-ce que le point triple vient faire là-dedans ? Eh bien, il faut être à gauche du point triple pour que ça marche (autour de la courbe rouge et non de la courbe bleue). Je pense aussi pas trop loin. Les flèches que j’ai dessiné sont beaucoup plus grandes que dans la réalité pour des questions de compréhension. Mais on n’est pas AU point triple (puisqu’on est hors-équilibre)

Cela veut dire aussi que le point triple ne doit pas être trop bas en température et en pression, si on veut aller “à gauche”. C’est là bien l’avantage du cyclohexane !

 

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