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Le triple point de l’eau et sa physique incroyable: quand la glace, l’eau liquide et la vapeur coexistent en même temps

Le triple point de l'eau et sa physique incroyable: quand la glace, l'eau liquide et la vapeur coexistent en même temps

Il y a un point où l’eau se rencontre à trois états à la fois: solide, liquide et vapeur. Il est bien connu que, dans des conditions normales, l’eau s’évapore à 100 ° C et gèle à 0 ° C, mais bien que cela puisse paraître surprenant, il y a un point où l’eau peut passer du solide à la vapeur ou vice versa. Il est appelé comme point triple, une situation où les trois états coexistent en équilibre.

Comment est-il possible que l’eau soit dans plusieurs états en même temps? Pour ce faire, nous devons comprendre comment fonctionnent les changements de phase. Dans des conditions normales avec la pression atmosphérique habituelle, à zéro degré Celsius, l’eau passe de la glace à l’eau liquide. La même chose se produit à une centaine de degrés, là où l’eau s’évapore. Il est bien connu qu’au sommet des plus hautes montagnes, l’eau bout à une température plus basse.

Pour atteindre le point triple de l’eau, la température d’ébullition doit être égale à la température de congélation. Et comment y parvenir? La réponse se trouve dans la pression.

Glace, eau et vapeur en même temps

Diagramme de phase de l’eau. Image: Wikipédia.

Avec les bonnes conditions de température et de pression, l’eau peut atteindre le point triple. Le point où la phase gazeuse, la phase liquide et la phase solide coïncident en même temps.

Dans quelle situation l’eau atteint-elle ces conditions? Pour obtenir le triple point, nous devons réduire considérablement la pression, comme si nous étions presque dans le vide.

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Le point triple de l’eau est atteint à une température de 0,0098 ° C ou 273,16 K, mais la pression n’est pas de 1 atm comme d’habitude, mais de 611,73 Pascals ou ce qui est le même: 0,0060373057 atm. Avec ces conditions, nous y parvenons le point d’ébullition de l’eau tombe à 0,01 ° C et le point de fusion s’élève légèrement de 0 ° C à 0,01 ° C.

À la température de 0,01 ° C et avec la basse pression mentionnée, l’eau peut faire bouillir et congeler en même temps. Un effet qui se heurte radicalement à ce que l’on observe dans la nature, mais parfaitement contemplé par les lois de la thermodynamique.

Comment atteindre le triple point en pratique

Le point triple de l’eau est situé à 611,73 Pa, selon l’échelle de température internationale ITS90. Cela équivaut à un pression environ 165 fois plus petite que celle habituelle dans l’atmosphère terrestre.

L’obtention de cette basse pression pour pouvoir apprécier le point triple en laboratoire n’est pas aisée, car un minimum d’effet de tension sur la surface du matériau utilisé peut suffire à déséquilibrer l’état.

En fait, le point triple de l’eau est si stable que le Kelvin en est défini. Pour un Kelvin, c’est 1 / 273,16 de la température thermodynamique du point triple de l’eau.

Le triple point est la pression minimale à laquelle l’eau liquide existe. C’est un point clé, puisque par exemple sous vide, la glace se sublime directement et se transforme en gaz sans passer par la phase liquide. Au moins cette pression de 611,73 Pa est nécessaire pour que l’eau existe sous forme liquide.

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L’eau n’est pas le seul élément à avoir un point triple, mais elle a ses particularités. Dans la plupart des substances, la valeur de ce point triple coïncide précisément avec la température minimale à laquelle la phase liquide existe, mais pas dans l’eau. Dans toutes les substances, il existe un seul point triple spécifique de pression et de température où se produit la coexistence des trois phases.

Pour atteindre le point triple de l’eau, il est nécessaire que le tube où l’expérience est réalisée soit sec et propre. Comme expliqué par ASSI, société d’étalonnage et de validation, on effectue d’abord un bain de glace puis de la glace sèche et de l’alcool éthylique sont ajoutés petit à petit. UNE processus qui peut prendre plus d’une semaine et où vous jouez avec d’autres fluides similaires pour transférer de l’énergie et modifier la température.

Comme décrit par Iván Galinskiy dans son texte «  Faire une cellule triple point à la maison  », le conteneur doit être assez serré pour maintenir la pression basse et il sera entre -10 et 100 ° C environ. Une option qu’il propose est une petite bouteille de Schweppes, avec des morceaux de verre pour favoriser la formation de bulles et du ruban étanche à l’air pour isoler la bouteille. L’obtention du point triple de l’eau peut se faire par différentes méthodes, mais l’effet de visualiser en même temps la glace, le liquide et l’ébullition est toujours fascinant.

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