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Compressibilité

La compressibilitĂ© est une caractĂ©ristique d'un corps quantifiant sa variation relative de volume sous l'effet d'une pression appliquĂ©e. La compressibilitĂ© est une grandeur intensive homogĂšne avec l'inverse d'une pression, elle s'exprime en Pa−1 (Pa Ă©tant le pascal).

Compressibilité isotherme
Description de cette image, également commentée ci-aprÚs
La compressibilité quantifie l'aptitude d'un corps à se contracter sous l'effet de la pression.
Unités SI Pa-1
Dimension M −1·L·T 2
Nature Grandeur tensorielle intensive
Symbole usuel , , Ă  constant
Lien Ă  d'autres grandeurs

Cette dĂ©finition doit ĂȘtre complĂ©tĂ©e car sous l'effet d'une compression les corps ont tendance Ă  s'Ă©chauffer. On dĂ©finit donc une compressibilitĂ© isotherme, pour un corps restant Ă  tempĂ©rature constante, et une compressibilitĂ© isentropique (ou adiabatique), pour un corps restant Ă  entropie constante. Les deux coefficients ainsi dĂ©finis sont reliĂ©s aux capacitĂ©s thermiques du corps par la relation de Reech.

Le deuxiĂšme principe de la thermodynamique induit que la compressibilitĂ© d'un corps stable ne peut ĂȘtre que positive : le volume d'un corps doit diminuer lorsque l'on augmente la pression. Une compressibilitĂ© nĂ©gative ou nulle induit un corps instable, Ă  moins que cette instabilitĂ© ne soit compensĂ©e par d'autres phĂ©nomĂšnes ou forces : une telle propriĂ©tĂ© est donc difficile Ă  observer. La compressibilitĂ© est une propriĂ©tĂ© tensorielle, elle dĂ©pend de la direction dans laquelle la force de pression est appliquĂ©e. Des cas de compressibilitĂ© nĂ©gative dans une (compressibilitĂ© linĂ©aire) ou deux (compressibilitĂ© planaire) directions ont Ă©tĂ© observĂ©es expĂ©rimentalement, la trace du tenseur restant cependant positive.

La compressibilitĂ© isotherme des gaz est trĂšs Ă©levĂ©e (10−5 Ă  10−6 Pa−1), elle est faible pour les liquides (10−6 Ă  10−10 Pa−1) et trĂšs faible pour les solides (10−10 Ă  10−12 Pa−1)[1].

DĂ©finitions

Coefficient de compressibilité isotherme

Le coefficient de compressibilité isotherme, que l'on note le plus souvent (le Green Book de l'UICPA, page 56, préconise la notation ), est défini par la relation :

Coefficient de compressibilité isotherme :

ou encore, en fonction de la masse volumique :

avec :

Coefficient de compressibilité isentropique

Le coefficient de compressibilité isentropique, que l'on note le plus souvent (le Green Book de l'UICPA, p. 56, préconise la notation ), est défini par la relation :

Coefficient de compressibilité isentropique :

avec :

Relations avec les coefficients de compressibilité

Relations avec la compressibilité isotherme

Puisque l'on a la relation :

on a :

avec l'enthalpie libre.

En considérant d'autre part que :

on a :

avec l'Ă©nergie libre.

Le coefficient de compressibilité isotherme entre dans la forme différentielle du volume d'un mélange :

avec :

  • le coefficient de dilatation isobare ;
  • la quantitĂ© ou nombre de moles du composant ;
  • le volume molaire partiel du composant .

Si les quantités de matiÚre sont constantes on a : .

Le coefficient de compressibilité isotherme est également lié au coefficient de compression isochore par la relation :

Le coefficient de compressibilité isotherme est égal à l'inverse du module d'élasticité isostatique du milieu, généralement noté , aussi appelé module d'incompressibilité :

Module d'élasticité isostatique :

Le coefficient de compressibilité isotherme entre aussi dans la relation de Mayer générale :

Relation de Mayer générale :

avec :

Relations avec la compressibilité isentropique

Puisque l'on a la relation :

on a :

avec l'enthalpie.

En considérant d'autre part que :

on a :

avec l'Ă©nergie interne.

Le coefficient de compressibilité isentropique entre dans la forme différentielle du volume d'un mélange à composition constante :

(Ă  composition constante)

avec l'un des coefficients calorimétriques (sans nom).

Ce coefficient entre dans l'expression de la vitesse du son dans un fluide :

Vitesse du son :

avec la masse volumique du fluide.

Stabilité thermodynamique

Soit un systĂšme thermodynamique soumis au travail d'une pression extĂ©rieure constante. On suppose le systĂšme et le milieu extĂ©rieur Ă  l'Ă©quilibre thermique permanent (mĂȘme tempĂ©rature) et que cette tempĂ©rature est constante. La variation de l'Ă©nergie interne du systĂšme vaut :

À tempĂ©rature constante, on a, en introduisant l'Ă©nergie libre :

La pression extérieure étant constante, on a :

Le deuxiĂšme principe de la thermodynamique implique que le terme , ou chaleur non compensĂ©e de Clausius, ne peut ĂȘtre que positif ou nul dans une transformation spontanĂ©e et par consĂ©quent :

À tempĂ©rature constante, lorsque le corps est soumis Ă  une pression extĂ©rieure constante, la fonction ne peut donc que dĂ©croitre. À l'Ă©quilibre, si la fonction pouvait continuer Ă  dĂ©croĂźtre alors toute perturbation relancerait la transformation, l'Ă©quilibre serait instable ou mĂ©tastable. Toute Ă©volution aprĂšs l'Ă©quilibre ne peut par consĂ©quent entrainer qu'une croissance de la fonction, interdite par le deuxiĂšme principe. Un Ă©quilibre stable est donc atteint lorsque la fonction atteint un minimum : la fonction ne peut plus Ă©voluer.

La fonction ayant pour variables naturelles le volume et la température , la fonction , à température constante, a pour seule variable . Pour que l'équilibre soit stable, la fonction doit donc répondre à :

  • (condition d'Ă©quilibre : la fonction ne varie plus) ;
  • (condition de stabilitĂ© : la fonction est Ă  un minimum).

La dĂ©rivĂ©e seconde doit ĂȘtre positive strictement. Si la dĂ©rivĂ©e seconde est nulle, l'Ă©quilibre est mĂ©tastable, mathĂ©matiquement il s'agit d'un point d'inflexion de la fonction ; si elle est nĂ©gative, l'Ă©quilibre est instable, il s'agit d'un maximum de la fonction.

En considérant la dérivée partielle de l'énergie libre :

on a Ă  l'Ă©quilibre stable :

On en dĂ©duit qu'un corps Ă  l'Ă©quilibre ne peut ĂȘtre stable qu'Ă  la pression et que si sa compressibilitĂ© est positive strictement[2] :

Condition de stabilité :

Autrement dit, un corps ne peut ĂȘtre stable que si son volume diminue lorsque la pression augmente.

Un raisonnement identique à entropie constante (soit ) au lieu de température constante, en utilisant l'énergie interne à la place de l'énergie libre conduit à la condition de stabilité[2] :

Condition de stabilité :

La thermodynamique n'interdit pas que le volume d'un corps puisse augmenter avec une augmentation de pression, et donc que sa compressibilitĂ© soit nĂ©gative. Un tel corps serait cependant instable et par consĂ©quent difficile Ă  observer, Ă  moins que d'autres phĂ©nomĂšnes ou forces que la pression compensent cette instabilitĂ©. Toutefois cette propriĂ©tĂ© est tensorielle, elle peut dĂ©pendre de la direction dans laquelle la force de pression est appliquĂ©e ; trois valeurs propres diffĂ©rentes peuvent ĂȘtre observĂ©es, le tenseur Ă©tant alors anisotrope. Des compressibilitĂ©s nĂ©gatives linĂ©aires (une valeur propre) ou planaires (deux valeurs propres) ont Ă©tĂ© observĂ©es sur des mousses mĂ©talliques et des cristaux composĂ©s d'eau et de mĂ©thanol, ces phĂ©nomĂšnes Ă©tant expliquĂ©s par l'architecture des cristaux Ă  l'Ă©chelle molĂ©culaire[3] - [4] - [5]. La trace du tenseur (la somme des trois valeurs propres) reste cependant positive, assurant la stabilitĂ© thermodynamique.

Relation de Reech

La relation de Reech relie le rapport des capacités thermiques au rapport des coefficients de compressibilité :

Relation de Reech :

avec :

Puisque , la relation de Mayer montre que . Par conséquent la relation de Reech montre que :

Relation entre coefficients de compressibilité :

Cas d'un gaz parfait

Dans le cas d'un gaz parfait, on applique l'Ă©quation :

avec :

On a donc :

et enfin :

Pour un gaz parfait :

Avec la relation de Reech et la relation de Mayer on a par conséquent :

Pour un gaz parfait :

avec :

Notes et références

Références

  1. Jean-Marie Perrier-Cornet, Marwen Moussa et Patrick Gervais, Applications des Hautes Pressions Hydrostatiques en Agroalimentaire, vol. F 3 225, Éditions techniques de l'ingĂ©nieur, (lire en ligne), p. 4.
  2. Olivier Bonnefoy, École nationale supĂ©rieure des mines de Saint-Étienne, « Thermodynamique » [PDF] (consultĂ© le ), p. 49.
  3. Compressibilité négative, A. Fortes et al., revue La Recherche, mensuel N°451, avril 2011.
  4. Un matériau aux propriétés contre-intuitives, Maurice Mashaal, revue Pour la science, 25/02/2011.
  5. Compressibilité linéaire négative géante dans le dicyanoaurate de zinc, site du CNRS - Institut de chimie, 20 février 2013.

Bibliographie

  • GĂ©rard Lesoult, Thermodynamique des matĂ©riaux : de l'Ă©laboration des matĂ©riaux Ă  la genĂšse des microstructures, vol. TM 5, Lausanne, Presses Polytechniques Universitaires Romandes (PPUR), coll. « TraitĂ© des MatĂ©riaux », , 1073 p. (ISBN 978-2-88-074-690-2, lire en ligne), paragraphe 3.6.3.

Articles connexes

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