Sur
le diagramme température T / S les surfaces
représentent des quantités
de chaleur.
En ordonnée T, la température, commence
à -273,15°C soit le
zéro absolu (tous les atomes sont immobiles).
En abscisse S = entropie
: grandeur utilisée en thermodynamique qu'il n'est pas
nécessaire de
connaître pour comprendre le diagramme (pour les curieux
S=Somme de
dQ/T). Pour
un fluide à la pression P1, pour passer d'une température TA à TB il
faut apporter une quantité de chaleur égale à la surface hachuée en
orange. Plus la surface est grande, plus TB est élevée. Pour
l'eau , on a mesuré les quantités de chaleur nécessaires pour
passer d'un état (pression, température) à un autre : après beaucoup de mesures on obtient le
diagramme TS de l'eau ci dessous en reliant les points de même pression
(courbes vertes).
DIAGRAMME T S DE l'EAU
Suivons la courbe verte 1b (1 bar = pression atmosphérique) : Si
on chauffe de l'eau à 1b à 0°C, sa
température
va monter de 0 à 100°C. La surface sous cette
courbe (hachures jaunes) indique la quantité de chaleur
utilisée
(valeur numérique = 426 kilo joules par kg d'eau : kj/kg).
Si on continue à chauffer, la température reste à
100°C et l'eau va
s'évaporer. La surface sous la courbe (hachures rouges)
indique
la
quantité de chaleur utilisée (valeur
numérique =
2271 kj/kg). Si on utilise les 3/4 de cette chaleur, il y
aura 75
% de vapeur et 25 % d'eau : on dit que le titre de vapeur est de 0.75.
(le point sur la courbe sera à l'intérieur de la
courbe
bleue en cloche)
Si
on continue à chauffer, la température de la
vapeur va monter. La surface sous la courbe (hachures oranges) indique la
quantité de chaleur utilisée (plus la surface
augmente plus la température augmente).
On
voit d'autre courbes vertes pour les pressions 10b, 20b et 100b. Si on
relie
les points de début et fin d'ébullition pour les
différentes pressions,
on obtient la courbe bleue en forme de cloche (son sommet correspond au point critique 220
b 374°C).
A la pression
atmosphérique, il
faut 5.3 fois plus de chaleur pour évaporer 1 kg d'eau que
pour la
faire chauffer de 0 à 100°C.
A
la pression de 20 b ce rapport passe
à 2.1 (920 kj/kg pour chauffer l'eau et 1941 kj/kg pour
évaporer). Pour
de l'eau à la pression critique toute la chaleur est
utilisée pour
chauffer l'eau (il n'y a plus de vaporisation).
Plus la pression est
élevée plus il faut de chaleur pour porter l'eau à ébullition. Pour les basses pressions, l'énergie de transformation eau <--> vapeur est importante :
On voit l'importance, dans les machines, d'utiliser la vapeur
jusqu'à une pression la plus faible possible pour
récupérer le plus d'énergie possible. (Exemple machine du Titanic :
la turbine qui ne fonctionne que de 0,6 à 0,07 bars fournit une puissance égale à 60% de celle des machines à pistons triple expansion qui utilisent pourtant la vapeur de 15 à 0,6 bars.
Voir page machines).
Plus la pression monte plus les courbes de pression sont proches. Ainsi
la surface entre les courbes 1b et 10b est plus importante qu'entre les
courbes 10b et 20b.
Exemple :
pour chauffer depuis 0°C puis évaporer à
une pression
de 42 mb (30°C) 1 kg d'eau il faut dépenser
2570 kj.
si on passe à 1 b (100°C) il faut ajouter 127 kj
si on passe à 10 b (180°C) il faut ajouter 127 kj
si on passe à 20 b (213°C) il faut ajouter 30 kj
(la quantité de chaleur à ajouter est faible
quand on
monte en pression : le point d'intersection courbe verte / courbe
bleue remonte, ce qui augmente la surface, mais se déplace
également vers la gauche, ce qui la diminue)
Télécharger un fichier pdf du diagramme T S : Diagramme-Ts-eau.pdf
Page pour convertir les unités d'énergie (kwh,
kcal, kj, kg charbon / ch h) : convertisseur
Danger de la vapeur
On
voit que la vapeur n'est pas dangereuse seulement à cause de
sa
température élevée, mais par la grande
quantité d'énergie qu'elle contient : exemple
: comparaison
de la chaleur de refroidissement d'un litre de vapeur et d'un litre d'air passant de 100 à 37°C
à 1
b (par
exemple sur la peau). - 1
litre de vapeur fournit 1.15 kj (275 calories : de quoi
chauffer
10cl d'eau de 27.5°C) - 1 litre d'air sec fournit 0.06 kj (14 calories : de quoi
chauffer
10cl d'eau de 1.4°C).
En effet la vapeur contient l'énergie consommée
pour chauffer et évaporer l'eau d'où elle vient.
Application météo
Le
changement d'état eau / vapeur joue un rôle
important dans
les
phénomènes météo et dans le
transfert
d'énergie solaire : Sur l'équateur
le soleil chauffe l'air et l'eau : il se forme de l'air humide qui
absorbe de l'énergie, chauffe et s'éléve en
créant une
dépression. Cette énergie
est redonnée quand l'air redescend dans les anticyclones. En montant l'air humide se détend et donc sa
température baisse, jusqu'à
condenser en pluie. L'énergie de condensation permet
à
l'air d'altitude d'être moins froid que si l'air avait
été sec au départ.
Cette
chaleur nous revient quand l'air redescend (l'air se comprime et donc
sa température augmente).
exemple : énergie contenue dans un kg d'air, par
rapport à de l'air sec à 0°C :
air sec à 30°C contient 30 kj alors qu'avec
une
humidité de 100% il contient 100 kj. (les 70 kj de
différence correspondent à la chaleur contenue
dans les
27 g de vapeur / kg d'air).
Influence de l'humidité sur la stabilité d'une
masse d'air :
Considérons une masse d'air moyenne. Sa pression diminue
avec
l'altitude et sa température aussi (-6.5°C par 1000
m).
Si
on fait monter de l'air sec en altitude (relief avec du vent ou
dépression), sa pression diminue et donc il
se refroidit par détente (-10°C par 1000 m). Il se
refroidira plus vite
que l'air ambiant et aura tendance à redescendre reprendre
sa place
initiale : l'air est stable.
Si on fait monter de l'air
humide en altitude, il se refroidit également par
détente. Mais si
pour une pression donnée la température est trop
basse pour que la
vapeur reste stable, une partie de la vapeur va condenser en redonnant
de la chaleur à l'air. Ainsi l'air humide peut se refroidir
moins vite
que l'air ambiant (par exemple -4°C par 1000m). Il sera plus
chaud qu'elle et aura tendance à monter
encore plus : l'air est instable.
Ces phénomènes sont très importants en
météorologie. Ils participent à la
formation des
orages, ouragans...
Applications dans la vie courante
Intérêt de mettre un couvercle sur une casserole :
Quand on chauffe de l'eau dans une casserole, avant d'atteindre les 100°C, il
y a équilibre entre l'eau et la tension (pression partielle voir page
précédente) de vapeur présente dans l'air. Quand la température
augmente, de l'eau va s'évaporer pour augmenter la tension de vapeur
dans l'air au dessus de la casserole pour rétablir
l'équilibre. La chaleur utilisée pour évaporer
cette eau ne servira pas à chauffer la casserole. On voit sur le
diagramme que cette chaleur de vaporisation est importante.
Même phénomène quand on soulève la croûte d'un gratin pour qu'il refroidisse.
Intérêt de souffler sur une cuillère de
soupe :
L'eau
de la soupe s'évapore pour augmenter la tension de vapeur
présente dans
l'air. La chaleur utilisée pour évaporer cette
eau servira à baisser la
température de la cuillère. La vapeur d'eau au
dessus de la cuillère ne
diffuse pas instantanément et il se forme une bulle d'air
plus humide.
Le fait de souffler (en plus d'améliorer la convection) permet de renouveler l'air et donc de maintenir une
tension de vapeur faible, ce qui accélère
l'évaporation et le
refroidissement. Valeurs numériques : pour refroidir une
cuillère de 15
ml (15g) d'eau de 90°C à 30°C il faut 60*15
=900 cal (3.7 kj) . Pour
évaporer de l'eau à 60°C il faut 2.37
kj/g. Il suffit d'évaporer
environ 3.7 / 2.37=1.5g d'eau pour refroidir la cuillère.
Transpiration :
L'eau
qui s'évapore sur la peau à 37°C prend
2423 kj/kg (579 kcal/litre) : 1
litre d'eau qui s'évapore à 37°C permet
de faire baisser la température
de 60 litres d'eau de 9.6°C (=579 / 60).
Il y a peu d'animaux qui utilisent la transpiration extérieure
pour réguler leur température (homme, cheval, ...). Cela
permet de maintenir des efforts dans la durée (marathon, ...).
Il paraît que certaines tribus poursuivent le gibier assez
longtemps pour provoquer un "coup de chaud" chez la proie qui est de ce
fait affaiblie (voir paralysée). En effet son système de
refroidissement est moins performant que celui de l'homme pour un
effort de longue durée.
Temps "lourd" :
Le corps humain est sensible à l'énergie
(température et humidité) de l'air. On dit qu'il fait
"lourd" avant un orage. Si l'air est trop humide, la transpiration ne
permet plus de nous refroidir, d'où le malaise. Il existe
l'indice humidex pour mesurer cet inconfort. En savoir plus sur Humidex
Chaudière à condensation :
Après la
combustion du gaz ou du fuel il y a de la vapeur d'eau dans les
fumées.
Si l'eau de retour des radiateurs est suffisamment froide, il est
possible de faire condenser cette vapeur et de
récupérer la chaleur
qu'elle contient.
"Fumer comme un pompier" :
L'origine de l'expression remonte en fait à une époque où les vêtements ignifuges n'existaient pas et où nos valeureux soldats du feu, vêtus de simple coton ou de laine, se faisaient copieusement arroser d'eau avant d'entrer dans un endroit enflammé.
Une fois dans l'enfer, cette eau portée à haute température se transformait en vapeur (en refroidissant le pompier). Et lorsqu'ils ressortaient, une grande quantité de fumée du lieu et de vapeur d'eau s'échappait de leur tenue.