La condition du point triple pour la sublimation
La sublimation, transition de phase directe d'un solide à un gaz, se produit à des températures et des pressions inférieures au point triple d'une substance. Le point triple est l'unique thermodynamique état dans lequel les phases solide, liquide et gazeuse peuvent coexister en équilibre. Sur un diagramme de phase, la courbe de sublimation sépare les phases solide et gazeuse, partant de l'origine et se terminant au point triple.
Le concept du point triple est une pierre angulaire de la thermodynamique, formellement décrite par la règle de phase de Josiah Willard Gibbs. La règle des phases, [latex]F = C - P + 2[/latex], relie le nombre de degrés de liberté (F) d'un système au nombre de composants (C) et au nombre de phases (P) en équilibre. Pour une substance pure (C=1), si trois phases coexistent (P=3), le nombre de degrés de liberté est F = 1 - 3 + 2 = 0. Cela signifie que l'état est invariant ; il ne peut exister qu'à une seule combinaison spécifique de température et de pression, qui est le point triple.
Le diagramme de phases d'une substance représente graphiquement les conditions de stabilité de ses différentes phases. Il s'agit généralement d'un tracé de la pression en fonction de la température. Le diagramme est divisé en zones solide, liquide et gazeuse par des limites de phase. La ligne séparant les zones solide et gazeuse est la courbe de sublimation. Tout point de cette ligne représente un état d'équilibre entre les phases solide et gazeuse. Si l'on part de la zone solide et que l'on diminue la pression à température constante, le franchissement de cette ligne induit la sublimation. De même, chauffer un solide à une pression constante inférieure à la pression du point triple provoque également sa sublimer. Pour l'eau, le point triple se situe à 0,01 °C (273,16 K) et une pression de 611,657 Pa. Toute pression inférieure à cette valeur provoque la sublimer directement en vapeur d'eau lors du chauffage, contournant ainsi complètement la phase liquide. Ce principe est fondamental pour des procédés comme la lyophilisation, où une basse pression est appliquée aux matériaux congelés pour éliminer efficacement l'eau contenue sans les effets néfastes d'une chaleur élevée.
UNESCO Nomenclature: 2210
– Thermodynamique
Perturbation
Fondamentaux
Usage
Utilisation généralisée
Précurseurs
- études sur les états de la matière par Antoine Lavoisier
- développement de la théorie cinétique des gaz par Clausius et Maxwell
- formulation des lois de la thermodynamique
- premières observations de changements de phase, tels que l'ébullition de l'eau et la fonte de la glace
Applications
- lyophilisation des aliments et des produits pharmaceutiques
- comprendre la formation des queues de comètes dans le vide spatial
- formation de givre (dépôt)
- purification de composés chimiques par sublimation sous vide
- fabrication de glace sèche
Idées d'innovations potentielles
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En rapport avec : sublimation, point triple, diagramme de phase, transition de phase, thermodynamique, pression, température, règle de Gibbs pour les phases, solide, gaz.