HAL Id: jpa-00233512
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Submitted on 1 Jan 1937
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Contribution à l’etude de l’etat liquide. II
M. Surdin
To cite this version:
M. Surdin. Contribution à l’etude de l’etat liquide. II. J. Phys. Radium, 1937, 8 (7), pp.294-302.
�10.1051/jphysrad:0193700807029400�. �jpa-00233512�
CONTRIBUTION A L’ETUDE DE L’ETAT
LIQUIDE.
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, on constate que, pour chacune des propriétés statiques, on peut tracer une « courbe unique » indépendantede la nature du liquide.
Plus généralement, si l’on adopte comme température réduite l’expression 0398
= T-T0/Tc-T0,
To étant une température arbitraire inférieure à une limite Tm, la coïncidence entre lescourbes v/v0
= f(0398) (et de même pour 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
est
possible d’exprimer
sous forme réduite les varia- tions avec latempérature
despropriétés statiques
d’un_
grand
nombre deliquides
souspression
de vapeur saturante. Plusprécisément,
enportant
en ordonnéesles
(v,
volume moléculaire à latempérature T, v f
le volume moléculaire aupoint triple, 5 compressibilité, (j
tensionsuperficielle),
et enabscisses une «
température
réduite » définie par 0 -c
2013(Tc, température critique. Tf, point triple),
on/ trouve,
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 au voi-sinage
dupoint critique.
Par contre, dans les cas de laviscosité,
de lapression
de vapeur saturante et de la différenced’entropie
entreliquide
et vapeur saturante,une telle réduction semble
impossible.
D’autre
part,
il étaitgénéralement
admis que la réduction de Van der Waals nepouvait
arriver à untel 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 une
grande
indétermination sur vc. Pour toutes lespropriétés
desliquides,
lepoint critique
estun
point «
sensible ».Donc,
si l’on veut utiliser latempérature
réduite der
,
Van der Waals
1 , paraît P plus judicieux
de
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 lamême manière pour les autres
propriétés
desliquides : compressibilité,
tensionsuperficielle,
chaleurs latentesd’évaporation
totale etinterne,
différenced’entropie
entre
liquide
et vapeur saturante, on obtientchaque
fois une ccurbe
unique (voir
lesfig. 2 bis,
3bis, etc.).
On a donc le droit
d’appliquer
auxliquides
la loi destempératures correspondantes,
tout au moins en cequi
concerne lesliquides pris
souspression
de vapeur saturante.Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:0193700807029400
295 Les deux
températures
réduites :peuvent
être considérées comme des casparticuliers
d’une
température
réduiteplus générale :
(on
a 0 == 6 pourTo
= et 0 =8w
pourTo
-0.)
Si l’on trace pour un des
liquides
étudiés les courbesdéfinies chacune par un
paramètre Ta
choisi au hasarddans 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 en une courbeunique
avec un écart de la courbe moyennene
dépassant
pas 2,5 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 de l’écart maximum admis àpartir
de la courbe moyenne:ainsi,
pour que cet écart soit inférieur à 3 pour 100 à.
r
0
= 0,8,
on doit pprendre 2013
== 0,6.T
Puisque,
pourTa =
0(réduction
de Van der Waalsmodifiée),
on trouve une courbeunique
pour tous lesliquides étudiés,
il s’ensuit que pour tous cesliquides
les
fonctions U
sontreprésentées éga-
0 Bc 20132013
7", )
glement par une courbe
unique, quel
que soit leliquide
étudié et
quelle
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 assez
particulière
des courbesexpérimentales ;
un calculsimple permet
de le montrer et d’établir en mêmetemps
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)
on déduit, 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 des
fonctions §(x)
etK~/)
est dicté parl’expé-
rience.
Si,
parexemple,
ondéveloppe ~~ (~x)
en série deTaylor,
enremarquant
que cette fonction s’annule pour~x = 0 et reste
toujours négative
etpetite,
on trouvey -
(1
exp+ + ... l . (7)
Les fonctions
(7) qui
satisfont aux conditions(~),
sontassez
compliquées.
Néanmoins cette formule est com-, mode
quand
on se borne aux faibles valeurs de x,ainsi,
si l’on pose a =2,
bt ..- bs =0, ~ ~ 2013 i,
et que l’on
développe l’exponentielle
en s’arrêtant auxdeux
premiers
termes, on retrouve la formule des com-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 auxdeux
premiers termes,
de sorte que la condition (pi(y, To)
= 0 soit satisfaite pourona:
m (y)
- b(1 - y), b
>o
et
l’intégrale
de(5 a)
s’écrit :y b
-
a
(1
-X)b-a.
Posons
b
= 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 forme fi-)
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’existepas sous forme
finie,
car, comme pour lafonction (7), il
faut introduire tous les coefficients dudéveloppement.
(8a)
revient en somme à soustraire d’une constante c une « courbe idéale» de la forme de(6),
avec lacondition que les
tangentes
à l’ori-gine
de(6)
et(8 a)
soient les mêmes.Un calcul
simple
montre que, pourcc
donné,
y devientpratiquement
in-dépendant
de c, sauf auvoisinage
immédiat du
point critique (x
-1),
dès que c devient
supérieur
à uncertain
minimum ;
parexemple
poura -
0,3
on a cumin - 3.O. V’ ~
On sait que c
= U‘
4 pour tous VOles
liquides,
et l’oncomprend
lapossibilité
d’unedispersion
desvolumes
critiques,
sans que la cor-respondance
cesse dans le reste dudomaine
liquide.
La seule condition suffisante de cettecorrespondance
est que
soit
indépendant
de la natureliquide,
comme on levérifie sur la
figure 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 tension
superficielle, qui
par l’inter- Fig. 1.Fig. 1 bis.
297 médiaire de la formule d’Eütv«s,
dépend
des volumes moléculaires.L’expérience
montrequ’ils
sont en-core valables pour les chaleurs la- tentes
d’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 se rap-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
1et 1 bis sont relatives aux chaleurs moléculaires de
quelques liquides
mono ou
diatomiques
et del’éthy-
lène. Les ordonnées
représentent
dansles deux cas
les c,,
tellesqu’elles
résul-tent des mesures directes pour les mono-
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 résultat obtenu ensoustrayant
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 des rotations libres de radicauxCH3
et desvibrations internes. Nous avons admis que ces contributions dans le
liquide
sont les mêmes que dans le gaz
(’"), (6) .
Nous avons
essayé
de calculer c, pour d’autresliquides polyatomiques
dont on connaît
expérimentalement Ç,
en
nous]
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.
Fig. 2 bis.
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 der Waals, avec, comme volume deréférence,
ledébrouillées. C’est
pourquoi
nous avonspréféré
volume moléculaire à unetempérature 8lV
~0,6.
réserver la
question. (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
moyen
triple
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
dela
pression
et que lespressions
de va-peur saturante ne sont des
grandeurs
réductibles ni avec la variable 0 ni
avec
a~,.
4.
Compressibilités (~).
- Sur lafigure
3bis,
les ordonnéesreprésentent
2013’2013 ; 6
étant lacompressibilité
et l’in-0,3,î
dice
0,35
latempérature
réduite de réfé-rence
OW
=0,35.
Pour les deux réduc- tions l’accord estcomparable (5).
5. Tension
superficielle.
-~- Le raisonnement de l’article(1, § 5)
fondé sur la loi d’Eôtvôspeut
s’étendreà la variable Les résultats
expérimentaux
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-
ques
analogies
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 courbe
1,
les autres la courbeII,
le troisième groupe est constitué par les alcools dont lespoints
se
dispersent (voir fig. 5 bis).
Cette classification des
liquides
est en assez bonaccord avec celle de E. N. da C. Andrade
(Phil. Mag., [7], 17,
p. 490 et698).
7. Chaleur latente
d’évaporation. -
Les or-données des
figures
6 et 6 bis sontrespectivement
lesL L
rapports
des chaleurs latentes totales/~.
et-2013, Ot55
et(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 que
nous 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.
...-
Fig. 4 bis.
299
Fig. 3 bis.
1 Fig.
5 bis.Fig. 6.
..-
Fig. 6 bis.
sur les
figures
7 et 7bis,
ce sont les mêmesrapports
pour les chaleurs latentes internes On a : i
L ~
Li + p
2013V,)
où L est la chaleur latente totale,
Ll
la chaleurlatente
interne, p
Japression
de vapeur satu- rante,V9’
le volume moléculaire de la vapeur,301
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 ~e
place sur la courbe moyenne.
Si le
groupement
despoints
estcomparable
pour lesfigures
6 et 6bis,
la réduction de Van der Waalsparaît
mieuxs’adapter
à la chaleur interne, ce quel’on vérifie en
comparant
les courbes obtenues enH F
portant
lesrapports
etW ,
avecr 0,55
"les indices
f et 0,55 correspondent respectivement
aupoint triple,
et àOw
_-_0,55.
L’accord est meilleur pour la réduction de Van derWaals,
cequi
estnaturel,
car ces travauxdépendent
surtout des pro-priétés
des gaz ; mais comme le travail W n’est que le dixième deL,
l’accord sur lafigure
7 est encoreassez bon.
Si S
représente
la différenced’entropie
entre vapeur saturante etliquide
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 la réduction0,
où T n’est pas unegrandeur
réductible.8. Pression de vapeur saturante. - Il est dif- ficile de tracer une courbe bien définie du
rapport
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 des
températures
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 forme
est liée à la forme
algébrique
des courbes.Néanmoins,
étant donnée
l’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 une
signification 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
estdonc déterminée à la lois par les courbes du
potentiel
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~,.
Manuscrit reçu le 2 mai 1937.