Adloun

thermodynamique (PTSI) · Chapitre 3 · Application directe du cours

Le titre est une fraction massique

Le corps pur sous deux phases · niveau 2

Énoncé

Un corps pur est en équilibre liquide-vapeur ; on note et les volumes massiques du liquide et de la vapeur saturants, et les masses de liquide et de vapeur, la masse totale, le volume total et le titre en vapeur.

1) En utilisant l'extensivité du volume et de la masse, établir . En déduire que le point du palier est le barycentre des points et affectés des masses et , puis la règle des moments . Pourquoi ce nom ?

2) Exprimer la fraction volumique de vapeur en fonction de , et . Application à l'eau à (, ) pour et .

3) Pour quel titre les deux phases occupent-elles le même volume ? Commenter l'ordre de grandeur.

4) Les diagrammes industriels sont souvent tracés avec une abscisse logarithmique en . Un point est placé exactement au milieu du palier sur un tel diagramme. Quel est son volume massique ? son titre ? Quelle erreur commettrait-on en appliquant la règle des moments aux longueurs lues sur le dessin ?

Corrigé

La stratégie. Tout découle d'une propriété : volume et masse sont extensifs. On écrit les deux sommes et l'on divise ; la règle des moments n'est que la traduction géométrique de cette addition.

1) La règle des moments. Chaque phase occupe le volume de sa masse au volume massique saturant : . En divisant par :

L'abscisse de est la moyenne de celles de et pondérées par les masses : est le barycentre de et . D'où , soit , et de même . Ainsi : c'est l'équilibre d'un levier appuyé en , chargé de en et de en — l'égalité des moments, d'où le nom.

2) La fraction volumique. et , donc

Pour : ; pour : . Un mélange à de liquide en masse est à de vapeur en volume : on voit un récipient plein de vapeur avec un peu d'eau au fond.

3) Volumes égaux. s'écrit , d'où

Six dix-millièmes de la masse vaporisés suffisent pour que la vapeur occupe la moitié du volume : c'est vu autrement. (Près du point critique, ce rapport diminue et l'écart entre fractions massique et volumique s'atténue.)

4) Le piège de l'échelle logarithmique. Le milieu du segment sur une échelle logarithmique correspond à la moyenne des logarithmes : , et

Le point « au milieu » ne contient que de vapeur ; les longueurs lues donneraient , vingt fois trop. La règle des moments repose sur le fait que est affine en : elle ne vaut que sur une échelle linéaire en . Sur un diagramme logarithmique, on lit , puis on calcule .

Le point délicat. Les deux pièges ont la même origine : confondre ce que l'on voit (des volumes, des longueurs) avec ce que mesure le titre (une masse).

Ce que l'exercice installe. La règle des moments est l'extensivité du volume écrite comme un barycentre, à redémontrer en deux lignes. Le titre est une fraction massique, très différente de la fraction volumique tant que . Et la règle ne s'applique qu'à une abscisse linéaire en .

100 % gratuit

La suite du chapitre est sur Adloun

Exercice suivant et tuteur

Sans compte : le cours, le premier QCM et 2 minutes de podcast et de vidéo. Exercices et tuteur : inscription gratuite en 30 secondes, sans carte bancaire.

Le cours du chapitre · Tous les exercices du chapitre

Exercice suivant et tuteur →