Me voici à nouveau pour vous présenter quelques expériences. Dans cette leçon, Marthe Boyomo vous a parlé de transitions de phases. Dans cette séquence, j'aimerais illustrer le concept de transitions de phases par quelques expériences. J'aimerais d'abord vous montrer au microscope une croissance de cristaux. Ensuite, j'aimerais discuter avec vous et voir quelques valeurs numériques de la pression d'équilibre d'une substance qui est en équilibre entre sa phase vapeur et sa phase liquide. Ensuite, j'aimerais vous parler de la courbe de coexistence de phases. Et voir comment on peut avoir dans un système en contrôlant son volume une quantité variable de liquide et de gaz. Ensuite, je vous montrerai une expérience amusante en rapport avec l'état surcritique qu'on définit lorsqu'on parle du gaz de van ver Waals, par exemple. Et puis, j'aimerais vous montrer une transition de phase du deuxième ordre, celle qu'on obtient au point critique. Commençons par la croissance des cristaux. Nous allons regarder au microscope des cristaux liquides. Nous disposons ces cristaux liquides sur une lame de verre, sur un microscope monté avec des polariseurs croisés. Lorsque la substance est liquide, les polariseurs étant croisés, l'image est noire. Lorsque les cristaux se forment, due à leur biréfringence, on commence à voir la lumière qui traverse l'échantillon. Et on obtient d'ailleurs de très jolies couleurs. Je vous invite à voir la vidéo. Voici l'image qu'on voit à l'état solide. Maintenant, le préparateur chauffe légèrement l'échantillon. La substance passe à l'état liquide. Et on a un fond diffus avec peu de lumière qui passe. Mais petit à petit, l'échantillon se refroidit. On passe à nouveau la température critique. Et on voit depuis la droite se former des cristaux par nucléation. [AUDIO_VIDE] Passons maintenant à la question de l'équilibre d'une substance qui est présente dans un système à température donnée, dans son état liquide et dans son état gazeux. Pour faire cette expérience, on a le montage suivant. On a considéré trois substances. Donc, on a trois ballons qui contiennent un de l'eau, l'autre de l'alcool, le troisième de l'éther. Une pompe permet d'assurer que chaque récipient ne contient que la substance considérée et pas de l'air. Les ballons sont plongés dans de l'eau qui permet d'assurer ou de définir la température à laquelle on va observer la pression du gaz au-dessus du liquide. Et on a bien sûr une mesure de, une jauge de pression. Observons la mesure. Voilà les trois récipients. Les trois ballons. Une vanne qui permet de couper la pompe et de mesurer la pression. Le bain thermostatisé. Le préparateur expose la jauge de pression à une des substances et il note la pression. Vous remarquerez qu'ici la mesure se fait avec un bain à 20 degrés centigrades. On recommence avec l'alcool. Bien sûr, on a fermé le récipient pour l'eau. On ouvre le récipient pour l'alcool. Et on mesure la pression de vapeur d'alcool au-dessus du liquide à une température de 20 degrés. Troisième expérience avec l'éther. On ouvre, on note la pression d'éther. On équilibre avec le liquide à 20 degrés. Voilà. Le préparateur a fait ces mesures avec un bain thermique à plusieurs températures. Et voici les mesures qu'il a observées. Vous pouvez utiliser ces mesures pour chaque substance. Par exemple, pour faire un graphique de la ligne de coexistence de phases entre la phase gazeuse et la phase liquide. Pour chacune de ces substances. Donc, vous avez la pression en fonction de la température. Et vous pouvez analyser la prédiction de l'équation de Clausius–Clapeyron, par exemple. Maintenant, j'aimerais vous montrer une autre expérience où on voit la coexistence de phase. Ici, on a un liquide, un type de fréon qui est pris dans un tube que vous voyez sur la droite de l'image. Le tube est fermé par une goutte de mercure qui nous permet de contrôler le volume du système. Nous avons ici une mesure de la température. Ce tube de verre est immergé dans de l'eau dont on contrôle la température. On mesure la température ici. Et on a une mesure de la pression du système, enfermée dans le tube. Et vous avez ici un diagramme typique des diagrammes de van der Waals où on a des isothermes sur un diagramme pression en fonction du volume. Observons la vidéo. On commence ici dans le diagramme gazeux. On passe la courbe de pression saturante. On commence à voir du liquide apparaître. Plus on diminue le volume, plus on a de liquide. Et, on peut observer qu'on peut revenir en arrière. Et au même point, le liquide disparaît, on n'a plus que du gaz, donc de la vapeur. J'aimerais maintenant vous montrer une expérience amusante qui consiste à tourner autour du point critique. Donc, on va opérer sur le gaz enfermé dans le tube, une série de transformations qu'on peut illustrer sur un diagramme p v. Ici, vous avez un diagramme p v en unité relative. La pression est mesurée relative à la pression du point critique, noté C sur ce diagramme. Et le volume également rapporté au volume critique, volume molaire critique. Regardons la vidéo. Vous pouvez suivre sur le diagramme le parcours qu'on fait autour du point critique. [AUDIO_VIDE] Nous voilà dans la phase gazeuse sur un isotherme. La température de l'eau autour du tube assure la température du système. Maintenant, à volume constant, donc on ne bouge plus le ménisque de mercure et on augmente la température de l'eau. Donc, on augmente la température du système. Et maintenant, on change le volume du système à température constante. Donc, on se promène sur un isotherme dans un état surcritique. Là, c'est expérimentalement la partie la plus difficile à réaliser. C'est tenter de changer la température en gardant la pression constante. On voit des à-coups qui correspondent à l'ajustement du préparateur, à l'ajustement du volume. Et maintenant, on fait augmenter le volume. Et qu'est-ce qui se passe? A cet endroit-là, on voit apparaître du gaz. Donc, on avait dans le tube sur l'image à droite, on a commencé par avoir du gaz. Et on a tourné autour du point critique. Et on se retrouve avec un liquide. C'est une expérience qui illustre bien ce qui se passe dans la phase surcritique. Maintenant, j'aimerais vous montrer une expérience qu'on va conduire au voisinage le plus près possible du point critique. J'ai ici représenté un diagramme typique pression en fonction de la température. On a la ligne de coexistence de phases entre le liquide et le gaz. Et maintenant, j'aimerais regarder qu'est-ce qui se passe très près du point critique. Pour observer ce qui se passe autour du point critique, on a le dispositif suivant. On a ici une cellule qui contient un fluide, un type de fréon. Il y a juste la bonne quantité de matière, il y a juste la bonne pression pour conduire l'expérience. On mesure la température de la cellule qu'on contrôle grâce à un bain thermostatisé. Vous reconnaissez une lumière intense d'une lampe à arc. Une lentille. Derrière la lentille, il y a un prisme, ici, qui permet de donner une image sur le mur de l'auditoire de ce qui se passe dans la cellule. Et je vais maintenant vous montrer un film où on voit de près ce qui se passe dans la cellule. Lorsque la température de la cellule est au voisinage du point critique. Voici le banc dans l'auditoire. La cellule thermostatisée. Et l'image projetée de la cellule, projetée sur l'écran de l'auditoire. [AUDIO_VIDE] Nous sommes maintenant à une température au-dessus du point critique. Et progressivement, la température de la cellule est abaissée. L'expérience est délicate. Il faut aller lentement. Vous allez voir tout à coup ce qu'on appelle l'opalescence critique. Il va y avoir de telles fluctuations, une production de très petites gouttelettes du liquide. De grandes fluctuations dans la formation et la disparition de ces gouttelettes qui donnent lieu à ce qu'on appelle l'opalescence critique. La voici qui vient. La couleur change et voilà. On passe la transition de phase. On ne voit plus rien. C'est l'opalescence critique. Et maintenant, la température continue à diminuer. Et nous voilà en présence du liquide dans la cellule. Cette grande fluctuation. Mais peu à peu, nous y voilà avec le liquide en bas. Dans ce module, j'ai présenté quelques expériences pour illustrer la notion de transition de phases. On a d'abord vu la transition de phase Croissance des cristaux, avec des cristaux liquides. Ensuite, on a observé la pression de vapeur en équilibre avec le liquide de la même substance. Et ceci à plusieurs températures. On a vu comment on pouvait se déplacer dans un diagramme p v typique du gaz de van der Waals entre l'état liquide et l'état gazeux avec une coexistence des deux. On a fait une petite promenade dans l'espace des états entre, autour du point critique. Et finalement, on a vu qu'au point critique, il y a une transition de phase qui a lieu avec de grandes fluctuations qui donnent lieu à ce qu'on appelle l'opalescence critique. Je vous remercie de votre attention.
