changements d`etat du corps pur

Mme LAVIELLE
THERMODYNAMIQUE BCPST 1
CHAPITRE : « CHANGEMENTS D’ETATS DU CORPS PUR »
APPROCHE DOCUMENTAIRE – THERMODYNAMIQUE :
CHANGEMENTS D’ETAT DU CORPS
PUR
Question sur des notions simples du programme en lien avec la
thématique :
Dans le diagramme de phase de l’eau, que représente le point triple ? le point
critique ?
Analyse de documents :
Objectifs : définir le niveau de connaissance actuel de la structure des
molécules.
Document 1 : regroupement d’articles sur les changements d’état
Document 2 : fiche d’exploitation des documents
Question ouverte sur un article :
Discuter des possibilités de développement de la vie sur la Terre, sur Mars,
sur Vénus, sur Europe et sur Ganymède.
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Document
D’ETAT
1 : ARTICLES SUR LES CHANGEMENTS
Diagrammes de phase de l’eau (d’après O. Dequincey, P. Thomas et G. Montagnac - ENS
Lyon et CNRS)
Le diagramme de phase de l'eau est étudié au lycée. Il montre l'eau liquide, la vapeur d'eau
et la glace. On reste dans un domaine restreint de T et P autour des conditions moyennes à
la surface de la Terre. Le point triple de l'eau y est présenté ainsi que le point critique.
*attention l’échelle des pressions n’est pas linéaire+.
Droits réservés - © 2010 Olivier Dequincey
Grâce à des cellules à enclumes de diamant, on peut explorer aisément le domaine des
hautes pressions. Le diagramme de phases de l'eau s'enrichit alors de phases nouvelles car
l'état solide de l'eau comprend plusieurs phases cristallines. Parmi les différentes formes de
glace (de I à XI), la seule forme présente à la surface de la Terre est appelée glace I.
[échelle des pressions linéaire].
Droits réservés - © 2010 Pierre Thomas
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Caractéristique des planètes du système solaire (d’après Wikipédia)
Caractéristiques
Mercure
Venus
Terre
Mars
Rayon (km)
2 440
6 051
6 378
3 397
Distance Moyenne avec le Soleil (millions de km)
57,8
108,2
149,6
227,9
Période de Révolution (an)
0.24
0.615
1
1.88
Vitesse autour du Soleil (km/s)
47.78
35.02
29.78
24.11
167
465
15
-65
0
92
1
0.01
Température moyenne (°C)
Pression surface (bar)
Présentation d’Europe satellite de Jupiter (d’après Astropolis.fr)
Découvert en 1610 par Galilée avec la première lunette astronomique de l'histoire, Europe
est un des 4 gros satellites de Jupiter. D’une taille sensiblement équivalente à la lune avec un
rayon de 1570 km et une gravité en surface de 1,3 m/s², Europe possède, sous une
importante couche de glace, une réserve d'eau liquide 2 fois supérieure à celle de la Terre !
Glacé en surface où la température extérieure est d’environ –150°C, Europe possède une
activité géologique et volcanique silicatée due aux effets de marée qui sont des
déformations périodiques des roches sous l’effet des variations gravitationnelles de Jupiter
et de ses autres satellites. Cette activité est source de chaleur, et explique qu’Europe
possède un très vaste océan d’eau liquide sous son épaisse couche de glace.
D’après les modèles théoriques, la couche de glace superficielle aurait une épaisseur d’une
vingtaine de kilomètres et l’océan serait profond d’environ 100 km.
Europe possède une atmosphère très superficielle. Le satellite Hubble, dans un premier
temps, puis la sonde Galileo ont en effet mis en évidence la présence d’une atmosphère
composée entièrement d’oxygène moléculaire à une pression 100 milliards de fois plus
faible que celle de la Terre. La composition de l’atmosphère est un nouvel indice de la
présence d’eau sur Europe : la décomposition des molécules d’eau de la surface glacée du
satellite par le rayonnement solaire produit du dioxygène et du dihydrogène. Ce dernier
beaucoup plus léger que le dioxygène s’est échappé dans l’espace.
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Ganymède (Jupiter’s largest moon) likely has a hidden ocean (d’après Jet Propulsion
Laboratory – CIT – NASA)
Add Jupiter's moon Ganymede, which is bigger than Mercure, to the growing list of worlds
with evidence of liquid water under the surface.
The low density of Ganymede (1,9 kg/m3) gives as conclusion that about 50% of Ganymede is
water : the radius of rocky core (iron and silicates) is about 1800 km and above it there’s
about 800 km of water.
Indeed, a layer of melted, salty water somewhere beneath Ganymede's icy crust would be
the best way to explain some of the magnetic readings taken by NASA's Galileo spacecraft
during close approaches to Ganymede in May 2000 and earlier, according to one new report.
In addition, the types of minerals on parts of Ganymede's surface suggest that, in the past,
salty water may have emerged from below or melted at the surface, according to a study of
infrared reflectance measured by Galileo.
Natural radioactivity in Ganymede's rocky interior and gravitational tug of war between
Jupiter and the others moons around Jupiter should provide enough heating to maintain a
stable layer of liquid water between two layers of ice, about 150 to 200 kilometers (90 to
120 miles) below the surface, said Dr. Dave Stevenson, planetary scientist at the California
Institute of Technology, Pasadena.
Ganymede : Facts & Figures
Discovered by Galileo Galilei in 1610
Orbit size around Jupiter : 1.07 x 109 m
Mean radius : 2,631.2 km
Mass : 1.4819 x 1023 kg
Density : 1,942 kg/m3
Surface temperature : 110 K
Surface gravity : 1.428 m/s2
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Pression lithostatique (d’après Wikipédia)
Lorsqu'on soumet un matériau solide à des forces extérieures dont les valeurs dépassent les
forces de cohésion internes du matériau, ce dernier cesse de résister à tout effort qui tend à
le faire changer de forme, et selon sa nature et l'environnement dans lequel il se trouve, il se
casse ou il flue.
Pour les roches non fissurées ordinaires, ce seuil de résistance est atteint lorsque la pression
est de l'ordre d'un kilobar ce qui est le cas à une profondeur de l’ordre de 3 km dans la
croûte terrestre.
Au-delà de cette limite, les matériaux solides se comportent comme des fluides très
visqueux. Ils obéissent entre autres à la statique des fluides qui donne l’évolution de la
pression avec la profondeur : p = p0 + ρgz
En conclusion, la cohésion des roches est négligeable vis-à-vis des contraintes développées
dans la lithosphère et l’aspect fluide des roches l’emporte sur leur aspect solide (même si les
échelles de temps des évolutions sont très longues).
Document 2 : FICHE D’EXPLOITATION
1. Comment varie la pression avec la profondeur z dans les océans terrestres en
supposant la température constante aux alentours de 0 ? De combien faut-il
augmenter la profondeur pour que la pression augmente de 1 bar ?
2. A partir de quelle profondeur dans les océans terrestres, la glace pourraitelle se former ? De quel type de glace s’agirait-il ? De telles profondeurs
existent-elles sur Terre.
3. Situer la surface de Mars dans le premier diagramme et en déduire l’état
dans lequel serait l’eau à la surface de Mars.
4. Mêmes questions avec Vénus.
5. Situer la surface d’Europe dans le second diagramme et expliquer la présence
d’eau liquide sous la couche de glace.
6. Même question pour Ganymède. Pourquoi y a-t-il une deuxième couche de
glace sous l’eau liquide ? Pourquoi ne retrouve-t-on pas cette deuxième
couche de glace sur Europe ? Quelle aurait dû être la profondeur de l’océan
d’Europe pour observer cette deuxième couche de glace (en supposant que la
température de cet océan liquide soit uniforme) ?
7. L’eau des océans terrestres est salée. Pourquoi ? Quels sont les ions
majoritaires ? Qu’en est-il des océans d’Europe et de Ganymède ?
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