Exemple d`utilisation d`animations dynamiques dans un diaporama

Exemple d’utilisation d’animations dynamiques
dans un diaporama powerpoint ® ou Impress
Construction, lecture et utilisation d’un diagramme
binaire en chimie (spé PC, MP, PSI, PT).
Barbara Delattre, Chimie, PC*
Lycée Pasteur, Neuilly/Seine.
L’idée: l’exposé aux MIEC-JIREC 2005 du
professeur Ali Atbir (Laboratoire de Chimie Minérale
Appliquée et Génie des Procédés, Faculté des
Sciences d’ Agadir )
Diapositives extraites d’un cours de chimie de
spé PC* d’environ 5 heures.
Diagrammes binaires: diagrammes indiquant
les états physiques sous lesquels on retrouve
deux constituants chimiques dans les différents
domaines de composition, de température et/ou
de pression.
De nombreux paramètres varient simultanément
Les étudiants ont souvent du mal à construire,
lire et utiliser les diagrammes binaires.
But de l’exposé: montrer l’intérêt pédagogique
de l’utilisation d’un outil très simple d’utilisation:
les animations dynamiques qui permettent par
exemple de déplacer simultanément un point
représentatif du système sur différentes courbes.
Variables et notation utilisées:
T: température
P: pression
Mélange binaire de deux constituants chimiques A1 et A2.
x fraction molaire, pourcentage en moles.
x1: fraction molaire globale de A1 dans l’ensemble des phases
x1v: fraction molaire du constituant A1 dans la phase vapeur
fraction massique, pourcentage en masse.
2: fraction massique globale de A2 dans l’ensemble des
phases
2s: fraction massique du constituant A2 dans la phase solide
La variance indique le nombre de
degrés de liberté d’un système
physicochimique . C’est le nombre de
paramètres intensifs indépendants que
l’on peut faire varier sans rompre
l’équilibre physicochimique du système.
Théorème de Gibbs, ou règle des phases de
Gibbs
v =
C +2-
C : nombre de constituants indépendants = ( N - k )
N : nombre de constituants chimiques total
k : nombre d’équilibres chimiques indépendants
2 : paramètres T et P
: nombre de phases.
Courbes analyse thermique isobare d’un corps pur
P
T
P = 1 bar
C
Solide
Vapeur,v = 2
liquide
Liquide = vapeur, v = 1
Teb
P = 1 bar
Liquide, v = 2
Solide=liquide, v = 1
Tfus
t
vapeur
Tfus
Retard possible au
changement d’état
Teb
T
Solide, v = 2
temps
Paliers lors des changements d’état Variance = 3 - Courbes d’analyse thermique d’un mélange binaire Cd-Bi
Refroidissement du cadmium
liquide pur
M
(°C)
Apparition des
1ers cristaux de
Cd
Refroidissement du mélange
liquide homogène, x(Bi) = 0,30
M’
Apparition des 1ers
cristaux de Cd
320
Disparition de la
dernière goutte
de liquide
200
Apparition des 1ers
cristaux de Bi
Refroidissement du
cadmium solide pur
145
Cristallisation simultanée des deux
solides Cd et Bi non miscibles
Disparition de
la dernière
goutte de
liquide
temps
Cas d’un mélange liquide réel avec liquides
miscibles
x2 = 0
x2 = 0,3
T
x2 = 0,7
T
VAPEUR
x2 = 1
T (K)
L=V
LIQUIDE
t (s)
COURBES ANALYSE THERMIQUE
0
1
x2
T
Signification des courbes frontières
*
1
T
Vapeur
Co
urb
Co
urb
T
ed
e ro
sée
ed
Liq = vap
’éb
ull
itio
n
Liquide
0
*
2
T
1
x2
courbe d'ébullition : Cette courbe est la séparation
entre le liquide et le mélange liquide -vapeur.
courbe de rosée : La rosée est le moment où apparaît
la première goutte d'eau.
Autre signification des courbes frontières:
A T donnée pour P fixée, à l’intérieur du fuseau (Équilbre liquide-vapeur)
comme v = 2, la composition du système est fixée (x1v et x1l).
T
Vapeur
P fixée
Vapeur = Liquide
M
M=A
M=B
Liquide
x1 =
x1v
x1
x1 =
x1l
x1
Règle de l’horizontale
Les compositions des phases liquide et vapeur sont données par les
abscisses des points d’intersection de l’horizontale correspondant à T
donnée avec les deux courbes frontières.
T
Signification des courbes frontières
*
1
T
Co
Co
ur
be
ur
be
d ’é
bu
llit
Vapeur
de
ros
Liq = vap
ion
T
ée
f(x
2
v
)
f(x
2 l)
Liquide
0
*
2
T
x2
l
x2 v
1
x2
Étudions par exemple la compression isotherme d’un
mélange binaire gazeux (A1, A2)
P
P
•De M0 à M1, le système reste monophasé et la composition du
système n’évolue pas.
M5
LIQUIDE
V=2
•En M1, la première goutte de liquide apparaît. Sa composition est
donnée par l’abscisse de M2, la composition de la vapeur étant
donnée par l’abscisse de M1.
M2
•De M1 à M4, on poursuit la compression. système diphasé. La
composition de la phase gazeuse évolue avec l’abscisse des
points de M2 à M4, celle de la phase liquide avec l’abscisse des
points M1 à M3. Au cours de cette compression, la quantité de
liquide augmente au détriment de la quantité de gaz (théorème
des moments chimiques), le liquide et la vapeur s’enrichissent
en A1, composé le plus volatil;
M4
Liq=Vap
V=1
PA2*
M3
M1
VAPEUR
V=2
0
PA1 *
x1l
Mo
•En M4, il reste une goutte de vapeur, sa composition est donnée
par l’abscisse du point M3. La composition de la phase liquide est
donnée par l’abscisse du point M4.
xA1
x2v 1
•De M4 à M5, le système est monophasé, liquide. Sa composition
n’évolue plus, le point représentatif du système se déplaçant sur la
verticale de l’abscisse initial. Cette composition est la même que
celle de la vapeur initiale.
Quelle que soit la composition du mélange liquide de départ, la première bulle de
vapeur a toujours pour composition xHv. Et tant que les deux liquides sont présents, la
vapeur a cette composition.
T(°C)
T
Composition de
La vapeur entraînée
disparition de la
dernière
goutte de A2
A +V
l
2
A1l + V
A1l + A2l non miscibles
0
x2v
disparition de
la dernière
goutte de A1
M
x2
Evolution de la composition globale en eau
dans l’
l’ensembles des 2 phases liquides
Apparition de la
première bulle
de vapeur
temps
Application:
Distillation simple
objectif : obtenir un liquide enrichi en composé le plus volatil.
Système ouvert
C
T
Vapeur
V’’’
L’’’
V’’
L’’
V’
L’
V
L
Liquide
M
x2
0
•On part du point représentatif
M. On chauffe le mélange.
• La première bulle de vapeur a
pour composition x2V.
• Le distillat est donc enrichi en
le composé le plus volatil A2.
• En éliminant la vapeur, cela
entraîne un appauvrissement du
liquide en A2. Le point
représentatif se trouve décalé
vers la gauche de M
•Il faut chauffer davantage et la
nouvelle vapeur émise a pour
composition x2V’.
1
On représente souvent cette évolution par des « marches d’escalier ». En réalité
l’évolution est continue: le point représentatif du liquide évolue de L vers C: il
reste un liquide de plus en plus pur en A1. On peut obtenir A1 pur mais on en
obtiendra très peu. En effet, au cours de la distillation, on a éliminé A1 présent
dans le distillat de moins en moins riche en A2 (évolution de V à V’’’ jusqu’à C).
Distillation fractionnée
thermomètre
réfrigérant
T
vers l’évier
arrivée
d’eau
froide
colonne à
distiller
de Vigreux
mélange à
distiller
récipients
collécteurs
pierre ponce ou
carborundum
chauffe ballon
Visualisation des plateaux théoriques : colonnes à plateaux
0
x2
x1 l
l
x3 l
x4l
x5
l
1 xB
*
B
T
M
T5
T4
Vapeur ascendante
Liquide descendant
x5 l
xv
5
x4
x4
v
l
T3
x3
x3 v
l
LIQUIDE
x2
l
T2
x2 v
x1v
T1
Aliq + B liq miscibles
VAPEUR
T
*
A
T
T
x1 v
x2
v
x3
vx
4
v
x5 v
x1
l
CHAUFFAGE
Application: Mélange H2O-NaCl
Courbes d’analyse
thermique pour un
mélange binaire eausel.
Fraction massique en
NaCl.
Centrale-Supélec
Chimie, PC, 1999.
Application: Mélange H2O-NaCl
P = P atmosphérique
Tfus(H20): 0°C et Tfus(NaCl): 800°C
Eutectique: TE: -21,6°C et xNaCl = 0,085 ou NaCl = 23% massique
T
Liquide L
0°C
-11°C
GLACE ORDINAIRE A – 11°C
m glace = 9,17 kg or NaCl min=
0,15
1 cm
2
1 de
m sel
m NaCl = 1,62 kg
-3
V = 0,01 m3 = 917 kg.m
Glace + L
-21,6°C
Glace + sel: solides non miscibles
0,15
NaCl
0,23
Si on ajoute du sel à la glace dans des conditions
isothermes à T1 et si T1>TE, si la teneur en sel est
suffisante, la glace fond.
Utilisation de glycol comme antigel
- 10 °C
CCP, 2007,
Chimie1, PC
= 23,6 %
Pour qu’un mélange antigel ne gêle pas à – 10 °C, il faut
ajouter 310 g de glycol à 1 Litre d’eau.
Application: conditions adiabatiques
Mélange réfrigérant eau-NaCl P = P atm
T
Liquide L:
Solution aqueuse de NaCl
0°C
Equilibre eau-glace à 0°C
Glace + L
-21,6°C
Glace + sel: solides non miscibles
NaCl
0,23
Ajout de NaCl
Le sel se dissout dans l’eau
Equilibre Glace pure et eau/NaCl liquide
La température diminue