ÉQUILIBRE DE PHASE : UN APERÇU DE SES APPLICATIONS EN MATIÈRE DE CHAUFFAGE

L’équilibre de phase paraît complexe (presque de la science-fiction) et peut être difficile. L’équilibre de phase est « l’étude de l’équilibre existant entre ou au sein de différents états de matière », tels que les gaz, les liquides et les solides. 

Cette étude n’est pas aussi abstraite qu’elle semble et est utilisée à diverses fins industrielles, surtout celles qui nécessitent un chauffage spécifique. Cet article examine l’équilibre de phase, les applications dans le monde réel et les implications en matière de chauffage associées à cette étude. 

Qu’est-ce que l’équilibre de phase ?

Il s’agit d’un sujet de chimie qui fait référence à l’équilibre trouvé entre les différents états de la matière : solide, liquide et gazeux. L’équilibre signifie que le potentiel chimique des différents composants ne change pas et que l’interaction entre les phases est uniforme.

La règle des phases régit les processus d’équilibre des phases. Cette règle se rapporte à la façon dont des variables, telles que la température, la pression et le volume, sont imposées à une certaine phase. Ce sont ces facteurs qui déterminent la transition de phase, comme le point de fusion ou d’ébullition d’une substance. Quant à l’équilibre de phase, une particule qui se transforme en une autre ne provoque pas de perte d’énergie.

Types d’équilibre 

Équilibre de phase

Un exemple d’équilibre de phase serait celui de molécules d’eau à 0 °C, qui correspond à la fois au point de congélation et au point de fusion de l’eau. Au cours de cette phase, le nombre de molécules d’eau qui se transforment en glace est identique au nombre de molécules qui fondent. Il en résulte un équilibre entre solide et liquide.

Glace (s) ⇌ Eau (l)

L’équilibre de phase s’applique également à un liquide dans un récipient fermé. Le nombre de molécules de liquide qui se transforment en vapeur sera identique au nombre de molécules de vapeur qui se transforment en liquide. La vitesse d’évaporation du liquide équivaut à celle de la condensation.

Eau (l) ⇌ Eau (g)

Équilibre soluté-solide

Ce type d’équilibre se produit quand un soluté d’une solution saturée est au contact d’un soluté non dissous. Si le nombre de molécules qui s’écoulent de la solution est égal au nombre de molécules qui se dissolvent, il existe un équilibre soluté-solide. 

Soluté (aq) ⇌ Soluté (s)

Équilibre gaz-liquide

Dans un récipient fermé, par exemple une boisson gazeuse, il peut y avoir un équilibre entre le gaz dans le liquide et le gaz qui remplit le reste du récipient. Le dioxyde de carbone contenu dans la boisson gazeuse correspond à celui qui remplit l’espace vide.

Gaz (solution) ⇌ Gaz (g)

Applications concrètes de l’équilibre de phase

Production de chaux

Pour produire une réaction directe, il faut que la production de chaux soit endothermique. Ainsi, 178 kilojoules d’énergie thermique sont absorbés par mole d’oxyde de calcium formée. Si une mole de gaz se forme au cours de cette réaction, il y aura une augmentation nette de la production de chaux, car il n’y a pas de produits gazeux. Dans un four à chaux ventilé, la pression peut également être diminuée pour augmenter la formation de molécules de gaz, ce qui signifie que davantage de dioxyde de carbone ou de chaux sont formés. 

Synthèse de l’ammoniac

Procédé Haber

Le procédé de synthèse de l’ammoniac Haber fait appel à la réaction entre l’azote gazeux et l’hydrogène gazeux. Ce processus exige le recours à l’air, aux hydrocarbures supérieurs et à l’eau.

Procédé Bosch-Haber

Le procédé Bosch-Haber de synthèse de l’ammoniac considère que c’est une réaction exothermique car elle libère de la chaleur. Quatre moles de gaz réactif sont nécessaires pour produire deux moles de gaz produit, ce qui correspond à une réduction du nombre de molécules de gaz. 

Les règles d’équilibre de phase permettent de produire autant d’ammoniac que possible. Des températures plus élevées produiront moins d’ammoniac, mais seront plus rapides que des températures plus basses.

Production d’acide sulfurique

Pour produire de l’acide sulfurique, on mélange le dioxyde de soufre à l’air avec un catalyseur d’oxyde de vanadium à haute température. Ce catalyseur oxyde le dioxyde de soufre pour produire une réaction exothermique. 

On obtient ainsi du trioxyde de soufre, précurseur de l’acide sulfurique. On dissout alors le trioxyde de soufre en acide sulfurique concentré pour former de l’oléum (acide sulfurique fumant). Puis, une fois l’eau ajoutée, il se forme de l’acide sulfurique.

Production de méthanol

Pour la production de méthanol, le monoxyde de carbone et l’hydrogène gazeux sont synthétisés. Une température et une pression élevées sont utilisées dans un catalyseur pour obtenir le meilleur rendement possible. Le methanol offre des ressources supplémentaires pour les plastiques, les pièces automobiles, les matériaux de construction et les peintures. C’est une source d’énergie non polluante pour les véhicules, les chaudières et les fours.

Implications du chauffage

Une variation de pression, de concentration ou de température a un impact sur les résultats des réactions d’équilibre de phase, ainsi un petit décalage peut créer un nouvel équilibre. En ce qui concerne les implications du chauffage en milieu industriel, l’ajout, le retrait ou la modification de la chaleur modifiera l’équilibre et produira soit des produits chimiques différents, soit des quantités différentes.

Les équations chimiques des réactions n’incluent généralement pas un pouvoir calorifique, mais les réactions incluent généralement l’absorption ou la libération de chaleur. Il appartient aux réchauffeurs industriels d’atteindre des températures durables pour parvenir à des états idéaux.

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