L'eau liquide / vapeur :
Diagramme de phase
Un corps pur se présente
sous une de ses phases solides, liquide ou gazeuse, en fonction des
conditions de pression P et de température T. Le changement de
phase (par exemple l'évaporation) se fait également en
fonction de P et T
(si on fixe T on aura P évaporation :
si dans un récipient fermé on a uniquement du liquide
et de la vapeur d'un même corps pur, en mesurant la pression on
connaît la température; ceci est entre autre utilisé
dans les thermostats).
Pour
l'eau, le diagramme pression (absolue) / température, ci
contre, indique les lignes de changement d'état :
en rouge liquide / gaz (eau / vapeur d'eau)
Dans un récipient fermé ne contenant que de l'eau et de la vapeur, si on fixe la température (en chauffant ou refroidissant), alors on aura la pression indiquée par la courbe rouge.
Inversement, si on fixe la pression (soupape) on aura la température correspondante.
Exemple de la cocotte minute :On chauffe en fixant la pression à 1.7 bars (soupape qui tourne), la courbe indique la température à 115°C.
Ensuite on laisse refroidir à 20°C, la courbe indique 24 mb (millibars)=0.024 bars : on ne peut ouvrir le couvercle sans retirer la soupape pour faire entrer l'air et rétablir la pression atmosphérique à l'intérieur.en vert solide / liquide (glace / eau)
en bleu solide / gaz (glace / vapeur)
Entre ces courbes on voit les domaines de stabilité :
de l'eau (entre courbes verte et rouge) :
Si le point (pression, température) de l'eau est entre les courbes verte et rouge, elle est dans un état stable, elle restera sous forme liquide.
Si ce point est entre les courbes verte et bleue (surfusion) cas par exemple des gouttes d'eau d'une pluie verglaçante, l'eau est dans un état instable et se transformera en glace quand elle rencontrera un élément solide.de la vapeur (entre courbes rouge et bleue).
de la glace (entre courbes verte et bleue).
Télécharger un fichier excel avec les valeurs et des graphiques fichier diagramme de phase.
A la pression atmosphérique (1 bar)
On voit, en traçant une ligne horizontale à la
pression de 1 b, que la glace fond à 0 °C et bout à
100 °C.
A cette pression, l'eau est stable entre 0 et 100 °C.
Mais de l'eau à 110 °C à 1 bar est instable, elle
va se transformer en vapeur. De même pour de l'eau à
-1°C à 1 bar, instable, elle va se transformer en glace.
Si la pression augmente :
- la température d'ébullition augmente (par exemple
180°C à 10 bars, ou 115°C à 1.7 bars dans une
cocotte minute).
La courbe s'arrête au point C
(point critique). Si la pression est supérieure à
ce point (220 bars) les molécules sont tellement serrées
qu'il n'y a plus de différence entre liquide et gaz. Si on
chauffe de l'eau comprimée à 230 bars, on ne la verra
jamais bouillir. On ne verra pas non plus de condensation (buée)
lors du refroidissement à cette pression. Certaine centrales
électriques fonctionnent avec de la vapeur à cette
pression (critique) ou à une pression supérieure
(supercritique).
Les fluides supercritiques ont une densité de liquide et une fluidité de gaz ce qui modifie leur comportement notamment leur qualité de solvant
(Plus d'infos sur le site Wikipedia).
(Dans de l'eau supercritique on peut injecter un déchet à brûler et de l'oxygène : la flamme s'y développe et l'eau supercritique favorise la combustion et piège les polluants issues de la réaction : des essais d'industrialisation sont en cours).
- la température de fusion diminue. La
pente de cette courbe verte est très faible : il faut une
pression de 138 bars pour une fusion à -1°C (pression
suffisante pour éclater les tuyaux d'eau que l'on a oublié
de purger). L'eau est une exception : pour la plupart des substances,
la pente est vers la droite (plus la pression monte plus la
température de fusion monte).
Sous la lame d'un patin à
glace, la pression très forte fait fondre localement la glace,
et permet de glisser.
Sur ce site on peut voir l'expérience
du fil
qui traverse la glace.
Si la pression baisse :
- la température d'ébullition baisse : par exemple
90°C à 700 mb = pression à 3000 m d'altitude ou
84°C à 4800 m : dans ce cas la cuisson dans l'eau
bouillante est plus longue (effet inverse de la cocotte minute).
Au
point triple : pression 6,11 mb et température 0.01°C,
la glace, l'eau et la vapeur sont en équilibre.
C'est un
état stable (pression et température fixes) obtenu dans
un réservoir hermétique contenant uniquement de l'eau,
de la glace et de la vapeur et sans échange de chaleur avec
l'extérieur, utilisé pour étalonner les
thermomètres de précision.
- Si la pression ou
la température descendent sous le point triple, il y a
transformation directement de la glace en vapeur (sublimation) ou
l'inverse (condensation solide ou déposition) ou équilibre
glace/vapeur (courbe bleue).
Expérience concrète :
Dans un congélateur, placer une boite fermée avec de la
glace. Au bout d'un certain temps (quelques mois) des cristaux de
glace se forment sur le couvercle : dans le congélateur la
température n'est pas constante. Quand le moteur est à
l'arrêt, la température monte lentement, la glace et les
cristaux du couvercle se réchauffent à la même
vitesse, ils s'évaporent en même temps pour accroître
la tension de vapeur dans la boite. Quand le moteur tourne, l'air à
l'intérieur du congélateur se refroidit rapidement, la
température des cristaux du couvercle baisse plus vite que
celle de la glace (masse moins grande) et la vapeur va plus se
condenser (se déposer) sur le couvercle : les cristaux du
couvercle grossissent.
Quand une comète passe près du soleil sa chaleur transforme directement la glace (noyau) en vapeur (chevelure).
Le bouillant de Franklin :
Sur
ce site on peut voir l'expérience du bouillant
de Franklin (vidéo de 8 minutes) : De l'eau contenue dans
un ballon qui bout lorsqu'on l'asperge d'eau froide ! C'est un
comportement apparemment paradoxal qui illustre d'une manière
spectaculaire l'influence de la pression sur la température
d'ébullition d'un liquide.
Tension de vapeur d'eau dans l'atmosphère
Pression partielle
Prenons un récipient où il y a 2 gaz A et B. Si A
était seul dans ce même récipient il aurait la
pression pA, de même pour B, pB.
La pression du mélange
est la somme des pressions pA et pB (elles sont appelées
pressions partielles).
Par exemple dans l'air il y a 78% d'azote
(pression partielle 0.78 bar), 21% d'oxygène (pression
partielle 0.21 bar) et 1% d'autre gaz (0.01 bar) pour une pression
totale de 1 bar.
Tension de vapeur, humidité relative
Même si la pression atmosphérique est 1013 mb, la
pression de vapeur d'eau (pression partielle) peut être
inférieure. On l'appelle aussi tension de vapeur d'eau.
On
voit sur la courbe rouge pour une température de 20°C la
pression de vapeur d'équilibre est de 24 mb. Si la pression de
vapeur d'eau dans l'air est inférieure à 24 mb, l'eau
va s'évaporer. Si elle est supérieure, elle va se
condenser (buée sur la glace de la salle de bain).
L'humidité
relative de l'air est le rapport (en %) de la tension de vapeur
dans l'air par rapport à la pression de vapeur d'équilibre
(courbe rouge) pour la température de l'air.
Pour revenir
à l'exemple des 20°C :
si la tension de vapeur = 24
mb, l'humidité relative = 100%.
si elle vaut 12 mb,
l'humidité relative = 50%.
Température de rosée
Pour une tension de vapeur d'eau donnée, il y a une température d'équilibre (courbe rouge) appelée température de rosée. En effet si la température de l'air descend sous ce point, la vapeur va condenser (rosée du matin sur des surfaces qui se sont refroidies pendant la nuit par rayonnement vers l'espace).
Applications pratiques
Changement de conditions sans modifier
la quantité d'eau dans l'air :
-Si on change la
température à pression constante, la tension de vapeur
reste la même :
si on chauffe, la pression de vapeur
d'équilibre (courbe rouge) augmente, donc l'humidité
relative diminue, l'air s'assèche (c'est le cas en hiver dans
la maison, on utilise de l'air chaud dans les séchoirs,
...).
si on refroidit, la pression de vapeur d'équilibre
(courbe rouge) diminue, donc l'humidité relative augmente,
l'air s'humidifie (cave en été). Si la température
descend sous la température de rosée, il y a
condensation : brouillard, buée, rosée, aliments qui
sèchent dans le frigo car la vapeur se condense sur la plaque
froide ... ).
-Si on comprime l'air en la refroidissant pour
maintenir sa température constante, la tension de vapeur
augmente donc l'humidité relative augmente (risque de
condensation dans les compresseurs).
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Masse volumique
L'eau étant "lourde" on pourrait croire que l'air humide est plus dense que l'air sec : en fait s'est le contraire (voir valeurs sur ce site). La molécule d'eau, 2 atomes d'hydrogène et un d'oxygène (masse molaire 18 g/mole) est moins lourde que celle d'oxygène composée de 2 atomes d'oxygène (masse molaire oxygène 32, air 29). A 30°C la différence n'est que de 1.5% mais à 100°C l'air sec pèse 0.946 Kg/m3 alors que la vapeur pèse 0.585 kg/m3 (soit 38% de moins).
États instables
Eau instable
- Pluie verglaçante, brouillard givrant : 
Pour
que l'eau se solidifie entre 0 et -40°C, il faut qu'elle s'appuie
sur un solide (poussière dans les nuages, objet, ...). Si elle
n'en rencontre pas, il se peut que le point (pression, température)
de l'eau soit entre les courbes verte et bleue (surfusion). L'eau est
dans un état instable et se transformera en glace quand elle
rencontrera un élément solide. C'est la cas par exemple
des gouttes d'eau d'une pluie verglaçante ou du brouillard
givrant.
Photo copiée sur le site
http://www.ossauphoto.com/mots-clefs/givre/
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Eau qui explose :
Pour que l'eau bout, il faut que des bulles
puissent se former (comme pour le champagne) à partir de
micros bulles d'air piégées dans le récipient.
Si on met un verre parfaitement propre contenant de l'eau dans un
four à micro ondes, il se peut (cas extrêmement rare)
que le point (pression, température) de l'eau soit entre les
courbes rouge et bleue. L'eau est dans un état instable et se
transformera brutalement en vapeur (explosion) si on bouge le verre.
Vapeur dans un nuage
Pour
que l'eau se condense ou se solidifie, il faut qu'elle s'appuie sur
un solide (noyau de condensation, poussière...). Si elle n'en
rencontre pas, il se peut que le point (pression, température)
de la vapeur soit entre les courbes verte et bleue. Dans un nuage, il
peut y avoir des gouttes d'eau en surfusion (voir ci dessus), des
petits grêlons et de la vapeur instable. On voit sur le
diagramme la ligne de changement d'état "eau en surfusion
/ vapeur" (courbe en pointillé rouge). Cette courbe est
au dessus le la courbe bleue (glace / vapeur) : pour une température
donnée (ligne verticale), la pression d'évaporation de
l'eau en surfusion est supérieure à celle de la glace.
Donc la glace "aspire plus fort" la vapeur que l'eau en
surfusion. La vapeur s'évapore des gouttes d'eau pour venir se
solidifier sur les grêlons. Bien sur, si la gouttelette
rencontre un grêlon, l'eau se solidifie tout de suite sur le
grêlon qui grossi.
Applications dans la vie courante
Hauteur d'eau de pompage
Quand on pompe de l'eau au dessus d'un récipient dont la surface est à la pression atmosphérique, on crée un vide dans le tuyau pour faire monter l'eau.On a pression atmosphérique = pression du "vide" + pression de la hauteur d'eau (si pression du "vide" = 0, hauteur = environ 10 m).
La pression minimum du "vide" est la pression de changement de phase (courbe rouge) pour la température de l'eau :
A 20 °C, p=24 mb = 24 cm de hauteur d'eau.
A 60°C, p=200 mb = 2 m de hauteur d'eau (hauteur d'eau maxi dans le tuyau = 8 m).
A 80°C, p=475 mb = 4.75 m de hauteur d'eau (hauteur d'eau maxi dans le tuyau =5.25 m).
Cavitation Pour
un fluide incompressible en mouvement, la pression est liée
à la vitesse : plus sa vitesse augmente, plus sa pression
diminue (principe du venturi). Dans les hélices de bateaux
ou de pompes, c'est au contact des pales que la vitesse est la
plus grande, donc la pression la plus petite. Si cette pression
passe sous la pression de changement de phase (courbe rouge), il y
a vaporisation. Puis aussitôt après, la pression
remontant il y condensation ... Cela provoque des minis explosions
puis implosions qui peuvent aller jusqu'à la destruction de
l'hélice. Plus le point température/pression de
l'eau est près de la courbe rouge avant d'entrer dans
l'hélice, plus le risque de cavitation est grand.Plus d'infos sur le site Wikipedia. |
Explosion chaudière
Quand une chaudière à vapeur explose, sa pression
baisse. La température de l'eau devient trop grande par
rapport à la nouvelle pression, une partie se transforme
immédiatement en vapeur, augmentant ainsi la force de
l'explosion...