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Contribution à l’etude de l’etat liquide. II
M. Surdin
To cite this version:
CONTRIBUTION
A L’ETUDE DE L’ETATLIQUIDE.
II.Par M. SURDIN.
Sommaire - Dans un travail récent, MM. E. Bauer, M. Magat et M. Surdin (1) ont montré, que si l’on utilise la température réduite 03B8
= T-Tf/Tc-Tf
(Tc température critique,Tf
point triple), la variation de chacune des propriétés statiques des liquides pris sous leur pression de vapeur saturante, peut s’exprimeren fonction de 03B8 par une loi simple, de même forme pour un grand nombre des liquides et dépendant de trois paramètres individuels : Tf, Tc, d’une part et de
l’autre vf
(volume au point triple),ou 03B2f
(compres-siblilité au point triple), etc. Cette réduction est particulièrement commode dans le cas des chaleurs
spécifiques.
Dans le présent travail, l’auteur montre que la « loi des températures correspondantes » au sens de Van der Waals, s’applique avec une grande approximation aux propriétés des liquides sous leur pression de vapeur saturante. En particulier, si pour étudier les volumes moléculaires, la compressibilité, la tension
superficielle des liquides, leurs chaleurs latentes de vaporisation totale et interne, on prend pour grandeurs
de référence, non pas les grandeurs critiques, mais celtes qui correspondent à une température réduite de Van der Waals biea déterminée, par exemple
03981w = T1/Tc
= 0,6, la même pour tous les liquides étudiés, onconstate que, pour chacune des propriétés statiques, on peut tracer une « courbe unique » indépendante
de la nature du liquide.
Plus généralement, si l’on adopte comme température réduite l’expression 0398
= T-T0/Tc-T0,
To étant unetempérature arbitraire inférieure à une limite Tm, la coïncidence entre les
courbes v/v0
= f(0398) (et de mêmepour les autres propriétés) aubsiste avec une approximation qui dépend de Tm. La raison de ce fait est la forme algébrique particulière des courbes réduites.
1. Introduction. - Dans un travail
récent,
MM. E.Bauer,
M.Magat
et M. Surdin(1)
ont montréqu’il
estpossible d’exprimer
sous forme réduite les varia-tions avec latempérature
despropriétés statiques
d’un_
grand
nombre deliquides
souspression
de vapeursaturante. Plus
précisément,
enportant
en ordonnéesles
(v,
volume moléculaire à latempérature T,
v f
le volume moléculaire aupoint
triple, 5
compressibilité, (j
tensionsuperficielle),
et en abscisses une «température
réduite » définie par0 -
(Tc, température critique.
Tf,
point
c
2013/
triple),
ontrouve,
pourreprésenter
l’ensemble des résultats relatifs à ungrand
nombre de corps, une courbeunique,
avec des écarts àpartir
de la courbe moyenne nedépassant pas 2 pour 100,
sauf auvoi-sinage
dupoint critique.
Parcontre,
dans les cas de laviscosité,
de lapression
de vapeur saturante et de ladifférence
d’entropie
entreliquide
et vapeursaturante,
une telle réduction semble
impossible.
D’autre
part,
il étaitgénéralement
admis que la réduction de Van der Waals nepouvait
arriver à un tel résultat(2).
Or,
si l’on considère en se bornant à (~) E. BAUER, 31. MAGAT et M. SURDIN, Contribution à l’étude de l’état liquide. I. J. de Physique, 1936, fi, p. 441. Les renvois à cet article seront indiqués par le chiffre romain 1 suivi du numéro du paragraphe.(2) Voir par exemple l’article de Van der Waals Jr, dans le H andbuch der Physik T. X, en particulier pour les volumes molécu-laires sous pression de vapeur saturante la figure 9, p. iTi.
l’étude des
liquides
souspression
de vapeursaturante,
la courbe des volumes moléculaires en fonction de la
température
auvoisinage
de1TC
~,(où
latangente
estverticale),
on voitqu’une petite
incertitude surT~
entraîne unegrande
indétermination sur vc. Pourtoutes les
propriétés
desliquides,
lepoint critique
est unpoint «
sensible ».Donc,
si l’on veut utiliser latempérature
réduite der
,
Van der Waals
paraît
plus judicieux
1
,
Pde
rapporter
les volumes moléculaires à un volume de référence Vi différentde v~
etqui
peut
être mesuré directement avecprécision.
Il faudraprendre
cevolume à une
température
réduite de Van der Waals8~
biendéterminée,
la même pour tous lesliquides
et différente de l’unité. Ainsi sur la
figure 2
bis nous, v 1 1
]"’1
avons tracé les courbes
v’
=f
(8,v)
avec0
r = I’
Tc
=
0,6,
pour tous les corps étudiés dans l’article 1.On voit que l’ensemble des résultats se groupe en
une « courbe
unique
» avec uneapproximation
com-parable
à celle de lafigure
1,1.
Enprocédant
de la même manière pour les autrespropriétés
desliquides :
compressibilité,
tensionsuperficielle,
chaleurs latentesd’évaporation
totale etinterne,
différenced’entropie
entreliquide
et vapeursaturante,
on obtientchaque
fois une ccurbe
unique
(voir
lesfig. 2
bis,
3bis,
etc.).
On a donc le droitd’appliquer
auxliquides
la loi destempératures
correspondantes,
tout au moins en cequi
concerne lesliquides
pris
souspression
de vapeur saturante.295
Les deux
températures
réduites :peuvent
être considérées comme des casparticuliers
d’une
température
réduiteplus
générale :
(on
a 0 == 6 pourTo
= et 0 =8w
pour
To
-0.)
Si l’on trace pour un des
liquides
étudiés les courbesdéfinies chacune par un
paramètre
Ta
choisi au hasard dans un intervalle 0 -1"", (vo
étant le volume molé-culaire à latempérature
7’o, v
le volume à latempé-rature
l’,)
on trouvequ’elles
s’inscrivent toutes enune courbe
unique
avec un écart de la courbe moyennene
dépassant
pas2,5
pour 100 environ(pour 0
0,8)
quelle
que soit la valeur deTo,
pourvu que l’on ait0 ~
1’0
variant de7’o
àT~ ;
est une limitesupérieure
del’o.
Lerapport
nedépend
que del’écart maximum admis à
partir
de la courbe moyenne:ainsi,
pour que cet écart soit inférieur à 3 pour 100 à.
r
0
= 0,8,
on doitprendre
2013
== 0,6. pT
Puisque,
pourTa =
0(réduction
de Van der Waalsmodifiée),
on trouve une courbeunique
pour tous lesliquides
étudiés,
il s’ensuit que pour tous cesliquides
lesfonctions U
sontreprésentées
éga-0
Bc
201320137", )
g lement par une courbe
unique,
quel
que soit leliquide
étudié etquelle
que soit la valeur deTo,
choisie auhasard,
pourvu que l’on ait pourchaque liquide
TC) L
Tm,
T variant deTo
àT,.
Cette
possibilité
de réductiongénérale
est évidem-ment liée à une forme assezparticulière
des courbesexpérimentales ;
un calculsimple
permet
de le montreret d’établir en même
temps
la formegénérale
deséqua-tions
approchées
de ces courbes.Discutons de
plus près
le cas des volumes :l’expé-rience montre que, si l’on pose pour un
liquide
donnéla courbe réduite des volumes
liquides
satisfait aux conditions
(dictées
parl’expérience) :
(a) f ._.~
1 pour x ~0, quel
que soit(~) f est
une fonction croissantede x, qui
tend versune limite finie
(1) avec
unetangente
infiniequel
que soitTo.
Pour toute valeur donnée
de x,
f
diminuequand
(1) Cette condition ne joue pas dans le cas de 1%compressibi-lité qui devient infinie au point critique.
To augmente,
mais sa variationrelative,
insensiblequand
x estpetit,
restetoujours
faible,
c’est-à-dire : -.est nul pour x ==
0,
négatif
ettoujours petit, quel
que soit x, tant que~"o
n’est pasfrop
voisin de1’c-En
exprimant x
en fonctionde y et
To,
à l’aide de(2),
on
peut
encore écrire(3)
et(3 a)
sont deux formeséquivalentes
del’équa-tion différentielle de nos courbes.
De
(1)
et(1 a)
ondéduit,
pour x restantconstant,
(3)
prend
la formecoefficient
angulaire
de la courbe réduite pour x ~0,
est
toujours
positif.
L’intégrale
de(4) correspondant à
une valeur donnée deTo
et satisfaisant à la condition(a)
s’écritSi la réduction était
parfaite
(~~ (x.
To)
m0),
on auraita étant
positif; (6)
ne satisfait pas aux conditions(~}.
Le choix desfonctions §(x)
etK~/)
est dicté parl’expé-rience.
Si,
parexemple,
ondéveloppe
~~ (~x)
en série deTaylor,
enremarquant
que cette fonction s’annule pour ~x = 0 et restetoujours
négative
etpetite,
on trouvey -
(1
exp+
+
... l .
(7)
Les fonctions(7)
qui
satisfont aux conditions(~),
sont assezcompliquées.
Néanmoins cette formule estcom-, mode
quand
on se borne aux faibles valeurs de x,et que l’on
développe l’exponentielle
en s’arrêtant aux deuxpremiers
termes, on retrouve la formule descom-pressibilités
de(I, 3).
Si l’on utilise la formule
(5 a) en développant la fonction
c~1(y, l’o)
en série de la variable et se bornant aux deuxpremiers
termes,
de sorte que lacondition
(pi
(y,
To)
= 0 soit satisfaite pourona:
m (y)
- b(1
- y), b
>o
etl’intégrale
de(5 a)
s’écrit : y b - a(1
-X)b-a.
Posonsb
= c ; c, valeur de y b-a=
vç
pour x= § ,
esttoujours
supé-0
rieure à l’unité
quand
To
l,;
(8)
s’écrit alors(8)
ou(8 a)
est la seuleintégrale
de(5 a)
satisfaisant aux conditions(x)
et()
ets’exprimant
sous formefi-)
nie. Si au lieu de s’arrêter aux deux
~
premiers
termes dudéveloppement
de ~1(y,
To)
onprend
d’autrestermes,
l’intégrale
de(5 a)
satis-faisant aux conditions
(~)
n’existe pas sous formefinie,
car, comme pourla
fonction (7), il
faut introduire tousles coefficients du
développement.
(8a)
revient en somme à soustraire d’une constante c une « courbeidéale» de la forme de
(6),
avec lacondition que les
tangentes
àl’ori-gine
de(6)
et(8 a)
soient les mêmes. Un calculsimple
montre que, pour ccdonné,
y devientpratiquement
in-dépendant
de c, sauf auvoisinage
immédiat dupoint
critique (x
-1),
dès que c devient
supérieur
à uncertain
minimum ;
parexemple
pour a -0,3
on a cumin - 3.O.
V’
~On sait que c
= U‘
4 pour tousVO
les
liquides,
et l’oncomprend
lapossibilité
d’unedispersion
des volumescritiques,
sans que lacor-respondance
cesse dans le reste du domaineliquide.
La seule condition suffisante de cettecorrespondance
est que
soit
indépendant
de la natureliquide,
comme on le vérifie sur lafigure 2
bis.La formule
empirique représentant la courbe moyenne
v-
T-
Tf
Bv
= dans
(1. 2),
est de la formeB/c2013/jF/
Les résultats que nous venons d’obtenir
s’appliquent
évidemment à la tensionsuperficielle, qui
par l’inter-Fig. 1.297
médiaire de la formule
d’Eütv«s,
dépend
des volumes moléculaires.L’expérience
montrequ’ils
sont en-core valables pour les chaleurs la-tentesd’évaporation
et,
au moins dans un certaindomaine,
pour lacompressibilité.
Pour illustrer ces résultats nous donnons les courbes de variation des
propiiétés
liquides
en fonction des deuxtempératures
réduites :Pour les
figures, ra
et n bis serap-porteront toujours, respectivement,
aux variables 0 et
Uyy
(1).
2. Chaleurs moléculaires.
-Les
premiers
essaisqui
ont conduit à latempérature
réduite 0 ontporté
sur les chaleurs moléculaires à vo-lume constant des
liquides
mono-atomiques.
Les courbes desfigures
1 et 1 bis sont relatives aux chaleurs moléculaires dequelques liquides
mono oudiatomiques
et del’éthy-lène. Les ordonnées
représentent
dans les deux casles c,,
tellesqu’elles
résul-tent des mesures directes pour lesmono-atomiques
et pour l’air(2).
Dans le casde
Br2, cv
a été calculé àpartir
deCp
expérimental
à l’aide de la formule lithermodynamique
bien connueCp-
c,KT V a2 ,
p
-
P
et l’on acorrigé
le résultatobtenu en
soustrayant
la chaleur pro-venant des vibrations internes de la molécule(3).
PourCIH6
les c, ont été calculés àpartir
des mesures direc-tes(1),
en retranchant de la chaleur moléculaire totale les contributions desrotations libres de radicaux
CH3
et des vibrations internes. Nous avons admis que ces contributions dans leliquide
sont les mêmes que dans le gaz(’"), (6) .
Nous avonsessayé
de calculer c, pour d’autresliquides polyatomiques
dont on connaîtexpérimentalement
Ç,
ennous]
servant de la formuleCp - CU
K TV .2 2
. _
.
p
, -
2013201320132013.
. Mais les corrections sontÀ
(1) Nous avons emprunté les données numériques aux fables,en particulier à celles de Landolt-Bôrnstein, où l’on trouvera la
bibliographie complète.
(2) Nous n’avons pas porté sur la courbe des c7, les points
correspondants au Cs comme il a été fait sur (I, fig 5) car la
température critique n’a pas été mesurée mais calculée à l’aide des formules empiriques.
(3) Celle-ci est négligeable dans le cas de l’air.
() A. EucKEN et HAUCK. Z. 1fJ28, 134, 161.
(~) A. IJucxErr et K. WIFGERT. Z. Chern., 1933, 235, 23.
Ct) Dans la note (1) de (I p. 444) nous avons écrit que Cp - r,, -+- 00 pour T ~ y’c; on doit lire : « Cp -
c, ~ 0 ponr
T ~ ce qui est absurde, car on sait que pour T -~- 7~,
Cp 2013~- oo et que Cv reste fini pour cette température. n
Fig. 2.
multiples
et souvent peusûres ;
ni le coefficient de instructif d’étendre la courbe des volumes auxdilatation à
pression
constante ~, ni lacompressi-
vapeurs saturantes sous lapression
d’équilibre.
Lesbilité P
ne se déduisent directement des mesures abscisses desfigures 2
et 2 bis sontrespectivement
6 etpour 0
>0,4, et,
d’autrepart, les
vibrations internes0- Il,-.
Pour lafigure 2
bis,
la réduction est celle de Van des molécules sontcompliquées
et souvent mal derWaals,
avec, comme volume deréférence,
le débrouillées. C’estpourquoi
nous avonspréféré
volume moléculaire à unetempérature 8lV
~0,6.
réserver laquestion.
(Nous
avons d’ailleursessayé
d’autrestempératures
3. Volumes moléculaires. - Il nous a paru avec un résultat
comparable) (1).
On constatera que, sur la branche
liquide,
les écarts entre lespoints
individuels et la courbe moyenne sont du même ordre pour les deux modes de réduction
(1).
On retrouve sur les deux courbes l’anomalie de
l’hydrogène
(1, §
3).
Ilest intéressant de noter que si l’on trace le diamètre
rectiligne
moyen sur lafigure
2,
on trouve un volumecritique
moyentriple
du volume à la fusion(1).
L’accord est médiocre sur les bran-ches de la « vapeur saturante » des
fi-gures 2
et 2 bis. Ceci tient au fait que, pour les vapeurs, il faut tenircompte
de lapression
et que lespressions
deva-peur saturante ne sont des
grandeurs
réductibles ni avec la variable 0 niavec
a~,.
4.
Compressibilités
(~).
- Sur lafigure
3bis,
les ordonnéesreprésentent
2013’2013 ; 6
étant lacompressibilité
etl’in-0,3,î
dice
0,35
latempérature
réduite deréfé-rence
OW
=0,35.
Pour les deuxréduc-tions l’accord est
comparable
(5).
5. Tensionsuperficielle.
-~- Le raisonnement del’article
(1, § 5)
fondé sur la loi d’Eôtvôspeut
s’étendre à la variable Les résultatsexpérimentaux
peuvent
donc sereprésenter
avec desapproximations
équiva-lentes dans les deux réductions. C’est ce que vérifie la
figure 4
bis où l’on retrouve les deux mèmes groupes de corps que sur 1fig.
3.6. Viscosité. - Dans le cas de la réduction de
Van der Waals
modifiée,
nous avons pudégager
quel-quesanalogies
entre certainsliquides
(ce
qui
parais-sait difficile dans la réduction 6(1, §
6)).
On a en gros trois groupes de
liquides :
-. les uns sui-vent la courbe1,
les autres la courbeII,
le troisième groupe est constitué par les alcools dont lespoints
sedispersent
(voir fig. 5 bis).
Cette classification des
liquides
est en assez bon accord avec celle de E. N. da C. Andrade(Phil.
Mag.,
[7], 17,
p. 490 et698).
7. Chaleur latente
d’évaporation. -
Les or-données desfigures
6 et 6 bis sontrespectivement
lesL L
rapports
des chaleurs latentes totales et-2013,
et/~.
Ot55
(i) Le choix de la température ~ 0,6 a été fait pour éviter les extrapolations au cas des liquides pour lesquels on a
peu de mesures au-dessous de cette température. La comparaison des deux modes de réduction est assez complexe, car le domaine
liquide des différents corps n’est pas le même dans l’échelle des
et quand nous disons que les deux réductions sont
com-parables, nous entendons par là que les écarts en ordonnées pour les points individuels à partir de la courbe moyenne sont du même ordre de
grandeur.
(z) Sur les figures 2 et 2 bis nous n’avons pas porté les
points
relatifs à tous les liquides déjà étudiés (1, fig. 1) ni d’autres quenous avons étudiés depuis, ceci simplement afin de ne pas
sur-charger les graphiques. Néamoins l’accord sur la branche
« liquide » est du même ordre que pour les points déjà portés.
(3) Mais la dispersion des volumes critiques, déterminés en général pour la loi du diamètre rectiligne, conduit à se demander s’il est légitime d’extrapoler cette loi jusqu’au point critique.
L’expérience paraît mettre en évidence des écarts à cette loi
(petits il est vrai). (Cf. par exemple Mathias,
Kammerlingh-Onnes et Crommelin, Ann. de Physique [9], 17 (1922), 460.
($) Les figures 3, 4 et 5 n’ont pas été reproduites ici; elles se
trouvent dans l’article 1 aux figures 2, 3 et 4 respectivement.
(5) Dans le cas de la compressibilité l’abondance des mesures de ~ aux basses 0w nous a permis de prendre pour température
de référence ~hv == 0, 35.
299
Fig. 3 bis.
Fig. 6.
..-Fig. 6 bis.
sur les
figures
7 et 7bis,
ce sont les mêmesrapports
pour les chaleurs latentes internes On a : iL ~
Li + p
2013V,)
où L est la chaleur latente
totale,
Ll
la chaleurlatente
interne, p
Japression
de vapeur301
0 .0
Fig. 7.
Fig. ’ï bis.
vi celui du
liquide
enéquilibre
avec sa vapeur(1).
(1) On retrouve l’anomalie de l’hydrogène, mais l’eau ~eplace sur la courbe moyenne.
l’on vérifie en
comparant
les courbes obtenues enH F
portant
lesrapports
etW ,
avecr
0,55
" les indicesf et
0,55
correspondent respectivement
aupoint triple,
et àOw
_-_0,55.
L’accord est meilleurpour la réduction de Van der
Waals,
cequi
estnaturel,
car ces travauxdépendent
surtout despro-priétés
des gaz ; mais comme le travail W n’est que ledixième de
L,
l’accord sur lafigure
7 est encoreassez bon.
Si S
représente
la différenced’entropie
entre vapeursaturante et
liquide
à la mêmetempérature
on a :S
= ~ ;
on voit que dans la réduction de Van der est unegrandeur
réductible avec la mêmeapproximation que L,
cequi
n’est pas le cas dans laréduction
0,
où T n’est pas unegrandeur
réductible. 8. Pression de vapeur saturante. - Il est dif-ficile de tracer une courbe bien définie durapport
mais la réduction de Van der Waals
paraît
donner ungroupement
despoints
un peu meilleur(’).
9. Conclusion. - De ce
qui précède,
nous pou-vons conclure que la « loi destempératures
correspon-dantes »
(température
réduite de Van derWals),
s’ap-plique
avec une bonneprécision,
auxpropriétés
desliquides pris
souspression
de vapeur saturante.(1) Après la publication du mémoire 1, nous avons retrouvé
un travail de Mme K. MEYFR (Z. Phys. Chem., 1910, 71, 325), dans
lequel, en partant de la réduction de Van der Waals, 31me Meyer a cherché à améliorer l’accord entre les courbes des différents 1..d h ..
t 1 .
bl ’d. L
T - T, ’
liquides, en choisissant les variables réduites :
== 2013201320132013.
oùTc
Tc est la température critique, To une correction de quelques
degrés, positive ou négative suivant le corps étudié, et ’9 ==
ve -
VO
où p est le volume réduit, r, le volume à la température T,
VC le volume critique, v,, une correction positive ou négative
de l’ordre de quelques pour 100. L’accord qu’a obtenu Meyer
On
peut
considérer cette loi comme unepremière
approximation, quitte,
pour une étudeplus
appro-fondie,
à introduire la structureparticulière
àchaque
liquide,
ce dont on ne tient pascompte
enportant
les
rapports
-, -, -,
etc.,
en fonction deT
’vo cro
po
7~.
D’au-tre
part,
lapossibilité
d’avoir d’autrestempératures
réduites de la formeest liée à la forme
algébrique
des courbes.Néanmoins,
étant donnéel’importance énergétique
des chaleursmoléculaires,
le fait que le tracé des courbes des c~paraît
mieux se réduire en fonction de(dans
la limite des résultatsexpérimentaux actuels),
donne unesignification particulière
à cettetempéra-ture réduite. Mais il ne nous semble pas
que 7)
soituniquement
déterminée par lespropriétés
desliquides.
C’est la
température
où les deuxpotentiels
thermo-dynamiques
du solide et duliquide
sontégaux,
T f
est donc déterminée à la lois par les courbes dupotentiel
du
liquide
et du solide.Nous ne voudrions pas terminer sans remercier M. Bauer pour sa constante bienveillance et pour ses
critiques
judicieuses, qui
nous ontpermis
de mener àbien ce travail.
entre les points des différents liquides est meilleur que celui que l’on obtient avec les variables de Van der Waals. Sa réduction des températures rentre dans le cadre général du § 1. Il n’en est
pas de même des volumes, mais étant donnée la forme des courbes il est évident qu’en choisissant convenablement les constantes
T~ et Vo dont la signification physique n’est pas claire chez Mme K. Meyer, on peut aboutir à un accord assez précis.
Pour la réduction des pressions de vapeur, 3Ime Meyer utilise celle de Van der Waals, mais les liquides qu’elle a étudiés sont
justement ceuxdont les points s’alignent àpeuprès sur une courbe de Van der Waals avec la température 0~,.