Pression et température de changement d'état


Enigme 5
De l'eau qui bout à 20 °C dans une casserole, c'est possible...
au fond des océans
en haut du Mont Blanc
en haut de l'Everest
dans l'espace
ce n'est pas possible

La réponse était : dans l'espace

En effet, la température d'ébullition d'un liquide dépend de la pression exercée par l'atmosphère. Pour le comprendre , une loi de physique (la loi de Clapeyron) permet de tracer le diagramme pression-température de l'eau : celui-ci permet de déterminer les couples pressions et températures pour lesquels l'eau est solide, liquide ou gazeuse mais aussi pour lesquels l'eau est dans 2 états différents en même temps.

A l'aide de ce diagramme ( qui n'est pas fait à l'échelle pour une meilleure compréhension), on s'aperçoit notamment que l'eau à la pression atmosphérique normale (1 atm) bout bien à 100 °C et fond bien à 0°C. Lorsque la pression diminue jusqu'à 0,006 atm, on peut voir que la température d'ébullition diminue jusqu'à 0,01 °C. Il suffit donc de trouver un endroit où la pression est suffisamment basse pour que l'eau bout à 20°C. Détaillons les réponses de l'énigme :

  • Au fond des océans, la pression ne baisse pas mais augmente fortement au contraire : des sources d'eau chaudes à plus de 300°C existent au fond des océans sans que l'eau ne se transforme en vapeur (à 3000 m de profondeur, la pression est d'environ 300 atmosphères). De même, l'eau utilisée dans les réacteurs nucléaires est pressurisée à 155 atmosphères pour éviter que l'eau ne bout et s'évapore.
  • En haut du mont Blanc, la pression (un peu moins de la moitié d'une atmosphère) diminue mais pas suffisamment pour bouillir à 20°C : l'eau bout à 85°C en haut du Mont Blanc.
  • En haut de l'Everest, la pression diminue encore mais pas encore suffisamment puisque l'eau bout encore à 72°C
  • Il faut donc monter plus haut puisqu'à 10 km d'altitude la pression est d'environ un quart d'atmosphère et descend jusqu'à 0,0005 atmosphère à 50 km d'altitude. C'est donc entre ces 2 altitudes qu'on peut déjà assimiler à l'espace que l'eau peut bouillir à 20 °C.
  • On constate qu'à 50 km de hauteur, vue la pression inférieure à 0,006 atm, l'eau ne peut plus exister qu'à l'état gazeux ou solide mais plus du tout à l'état liquide. Elle passera, pour une certaine température, alors directement de l'état solide à l'état gazeux : c'est ce ce que l'on appelle la sublimation. Cette sublimation est notamment présente lorsqu'une comète s'approche du soleil : la glace qui la constitue se transforme en vapeur d'eau qui diffuse alors les rayons du soleil formant ainsi sa chevelure.

 

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