Point critique (thermodynamique)

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Le point critique d’un corps pur est le point du diagramme température-pression où s'arrête la courbe d'équilibre liquide-gaz. Le long de cette courbe (qui part du point triple solide-liquide-gaz, généralement noté T), la différence de masse volumique entre liquide et gaz, ρlρg, diminue jusqu'à s'annuler au point critique. En ce point, généralement noté C en français, toutes les propriétés des deux phases (indice de réfraction, chaleurs massiques, etc.) deviennent identiques.

Aux températures et pressions supérieures à celles du point critique on ne peut plus distinguer une phase liquide d'une phase gaz, on passe continûment des propriétés d'un liquide (à haute pression et relativement basse température) à celles d'un gaz (à relativement basse pression et haute température) : le corps pur est alors qualifié de fluide supercritique.

À la vérité, les états liquide, gazeux et supercritique forment un unique état fluide : si l'on fait varier la température et la pression de telle sorte que le point représentatif dans le diagramme température-pression se déplace sans franchir la courbe d'équilibre on n'observe qu'une évolution continue, même si l'on part d'un point du domaine liquide pour arriver à un point du domaine gazeux. C'est seulement au franchissement de cette ligne qu'on peut observer une transition de phase liquide → gaz (vaporisation) ou gaz → liquide (liquéfaction).

Définition[modifier | modifier le code]

TransitionPhaseTP.png

Exemple de l’eau : température critique Tc = 374,15 °C, pression critique Pc = 22,12 MPa (221,2 bars, environ 220 atm)[1],[2],[3].

La masse volumique correspondante ρc est dite également densité critique (plus correctement, masse volumique critique). Un corps réunissant deux de ces valeurs critiques de température, pression et masse volumique (la troisième découlant des deux premières) est dit dans « l'état critique ».

Toute élévation de la température ou de la pression au-delà de sa valeur critique conduit à l’état qualifié de « supercritique », dans lequel le corps ne peut pas plus être qualifié de liquide que de gazeux. C’est l’état que l’on observe en haut et à droite du point critique dans le graphique tridimensionnel volume-température-pression ci-après.

Graphique tridimensionnel volume-température-pression (V : volume ; T : température ; P : pression).
IsothermesAndrews.png

Chaque corps chimique possède donc un « point critique » caractérisé par une température critique, une pression critique, et une masse volumique (ou un volume massique) critique.

Fait remarquable : si l’on considère un changement d’état à une température constante très proche du point critique, on voit qu’une différence de pression « faible » produit un changement de volume « important ». La courbe représentant la relation pression/volume à la température critique est tangente à la surface de changement d’état, qui est une surface réglée cylindrique d’axe parallèle à celui des volumes ; elle est donc au point de tangence parallèle à cet axe : la compressibilité est infinie au point critique, une différence de pression infime provoque alors des variations de volume et de densité sensibles. Les propriétés dépendant de la densité (constante diélectrique, indice de réfraction) sont mal définies dans cet état de la matière, les fluctuations statistiques deviennent macroscopiques : le fluide se comporte vis-à-vis de la lumière comme un brouillard concentré ; on parle de « phénomène d’opalescence critique ». Ce phénomène de « contournement du point critique » est particulièrement exploité en microscopie électronique pour sécher totalement un échantillon sans le détruire. Historiquement, la description de ces fluctuations par Einstein et Smoluchowski fut une étape importante du triomphe des théories atomistes.

On peut faire assez facilement l’expérience dite de « contournement du point critique » qui consiste à transformer un corps de la phase liquide à la phase gazeuse, puis en une phase fluide « super critique » (sans qu’il y ait cette fois de transition visible), puis à nouveau en phase liquide.

Les gaz organiques (alcanes ou alcènes par exemple) ont aussi un point critique.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Properties of Water and Steam in SI-Units - 1969 Prepared by Ernst Schmidt, Springer, Verlag Berlin Heidelberg New York - R. Oldenburg München
  2. (en) « eau » sur NIST/WebBook
  3. Communiqué CNRS (France) intitulé Premiers résultats scientifiques de l'instrument DECLIC, parti sur l'ISS le 25 août (Paris, 31 mars 2010)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]