Pour commencer, un petit Questionnaire à Réponses Multiples
C'est bien connu : dans une casserole, l'eau bout...
- Réponse 1 : et la caravane passe.
- Réponse 2 : à 100 °C au niveau de la mer mais à 400 °C au fond des
océans.
- Réponse 3 : à 100 °C exclusivement.
- Réponse 4 : à 100 °C chez nous et 110 °C au sommet de l'Éverest.
Eh non, l'eau de votre casserole ne bout pas forcément à 100 °C.
Au fond des océans, par exemple, des sources d'eau chaude crachent une
eau qui, à 350 °C, ne se vaporise toujours pas. Étrangeté de la nature ?
Point du tout. La température à laquelle l'eau se transforme en gaz
dépend en fait de la pression, c'est-à-dire du poids qu'exerce
l'atmosphère ou l'épais volume de l'océan sur les amas de molécules de
l'eau liquide. Plus la pression est forte, plus ces blocs sont solides,
et plus il est difficile pour les molécules de s'en libérer. Pour
vaincre cette force et se vaporiser, elles doivent recevoir une énergie
importante : une température de près de 400 °C dans les abysses où règne
une pression 300 fois supérieure à la nôtre. À l'inverse, plus on prend
de l'altitude, plus la pression atmosphérique diminue. Les molécules
n'ont plus besoin d'autant d'énergie pour passer à l'état de vapeur. Au
sommet de l'Éverest (8848 m), l'ébullition a lieu à 72 °C.
Mieux : l'eau peut bouillir à 0 °C sous une pression 163 fois plus
petite que la nôtre !
Généralités sur le « Point de rosée »
L'air, à une température donnée et à pression normale, ne peut contenir
qu'une certaine quantité de vapeur d'eau. Cette quantité autorisée
augmente lorsque la température s'élève, et diminue quand la température
baisse. Dans la soirée, après une journée chaude, la température de
l'air chute, ce qui provoque la saturation de l'air qui ne peut plus
contenir une telle quantité de vapeur d'eau. C'est pourquoi l'excès de
vapeur d'eau se condense alors sous forme de rosée sur toutes les
surfaces, comme celle d'un brin d'herbe ou d'une vitre. On appelle
« point de rosée » la température à laquelle la rosée commence à se
former dans une masse d'air donnée contenant de la vapeur d'eau. Si le
point de rosée est situé en dessous du point de fusion de l'eau, il y a
formation de gel.
Détails sur le « Point de rosée »
Le « Point de rosée » est une des composantes des mécanismes de la
condensation, c'est à dire de la transformation de l'eau de la phase
vapeur à la phase liquide (ou solide) et, comme pour l'ébullition, la
pression à aussi son importance.
Qu'il s'agisse de nuages, de brouillards, de rosée ou de givre, le
phénomène fondamental est un processus thermodynamique à l'échelle
microphysique, qui s'appelle précisément la condensation parce que le
changement de phase vapeur vers liquide ou vapeur vers solide a pour
résultat de condenser sous un faible volume, dans la nouvelle phase, ce
qui était présent sous forme de vapeur dans l'atmosphère.
Le seul paramètre physique qui conditionne pratiquement les changements
de phase d'une masse d'air, de contenu en eau-vapeur donné, est la
température. Le degré Celsius zéro correspond, à la pression
atmosphérique standard, au passage de l'eau liquide à la glace, et,
au-dessus de chaque phase condensée, liquide ou glace, il y a, pour
chaque température, une pression de vapeur bien déterminée. À 100 °C,
par définition, la pression de vapeur de l'eau est égale à la pression
atmosphérique standard. Mais pour toutes les températures inférieures au
point d'ébullition, même les températures très négatives, l'atmosphère
ne peut admettre qu'une certaine pression partielle maximale de vapeur
d'eau.
Si l'on essaie, dans un volume donné, à une température donnée,
d'introduire plus de molécules d'eau-vapeur que celles qui correspondent
à cette pression maximale de la vapeur saturante, il se produit un état
de faux équilibre que le moindre incident, la moindre impureté permettra
de rompre. Tout se passe comme si ces molécules en surnombre, incapables
de disputer leur place aux autres molécules, se trouvaient dans
l'obligation impérieuse de se rassembler pour tenir le moins de place
possible, en un mot de se condenser pour que la tension de vapeur d'eau
ne puisse dépasser la valeur maximale autorisée par la température.
Au-dessous de cette température critique, pour le contenu en vapeur
considéré, la condensation intervient à cette valeur, appelée d'ailleurs
point de rosée.
En réalité, cet état liquide de la matière correspond à un nombre
relativement important de molécules d'eau rassemblées en un même point :
de 50 à 100 environ pour former un embryon de germe liquide. La
probabilité statistique de rencontre, au même instant, au même point,
d'un aussi grand nombre de molécules isolées est tellement infime que
jamais, en phase homogène pure, une quelconque condensation ne pourrait
intervenir sans que soit au préalable réalisée une sursaturation
considérable.
C'est alors qu'intervient un phénomène découvert par Coulier au siècle
dernier : ce sont des impuretés en suspension dans l'atmosphère qui
permettent à la vapeur d'eau de changer de phase dans des conditions
normales. Ces impuretés, ou noyaux de condensation comme ils furent
appelés par la suite, jouent le rôle de pièges, d'accumulateurs de
molécules d'eau-vapeur et permettent ainsi au volume critique
correspondant au germe de la nouvelle phase de se constituer petit à
petit et d'engendrer la phase condensée au moment où la saturation est
réellement atteinte.
La vapeur d'eau de l'atmosphère peut être évaluée sous la forme d'une
pression partielle ; c'est une composante de la pression atmosphérique,
qui ne dépasse guère 30 hectopascals à la surface de la Terre.
Pour une température donnée, il y a une pression de vapeur dite
saturante pour laquelle l'eau liquide et l'eau vapeur sont en équilibre.
De même, pour une pression de vapeur d'eau donnée, il existe une
température pour laquelle cette pression est saturante : c'est la
température du point de rosée. Le rapport de la pression de vapeur d'eau
en un point à la pression de vapeur d'eau saturante pour une température
donnée fournit le degré hygrométrique ou l'humidité relative, exprimés
en pourcentage. Ainsi à midi au mois de juillet, on mesure, en moyenne,
à Tunis une température de 30 °C et une humidité relative de 46 % ; à
cette température, la pression de vapeur d'eau saturante étant de
42,43 hectopascals, on en déduit que la pression de vapeur d'eau est de
42,43 * 0,46, soit 19,5 hectopascals.
Mesure du « point de rosée »
On utilise des psychromètres et des hygromètres à point de rosée. Dans
ces types d'instruments, on accède à la mesure de la vapeur d'eau par
deux mesures distinctes et simultanées des températures.
Dans le psychromètre, l'un des thermomètres sert à la mesure de la
température de l'air ambiant, l'autre à la mesure de l'abaissement de
température provoqué par l'évaporation d'un film d'eau recouvrant le
réservoir du second thermomètre. L'approvisionnement en eau de ce film
est assuré par une mousseline alimentée par capillarité. La ventilation
doit être suffisante pour obtenir un fonctionnement correct. La tension
de vapeur de l'air ambiant est alors déterminée par l'écart des deux
températures ainsi mesurées et en faisant intervenir une constante, dite
« constante psychrométrique », représentant le rapport de la capacité
thermique massique de l'air sec à la chaleur latente de vaporisation de
l'eau.
Dans l'hygromètre à point de rosée, le « thermomètre mouillé » est
remplacé par un thermomètre qui mesure, grâce à un dispositif adéquat de
refroidissement, la température de la paroi froide sur laquelle se
condense la vapeur d'eau ambiante. En se reportant aux tables donnant la
pression de vapeur saturante en fonction de la température, on déduit
l'humidité relative correspondant aux deux températures (thermomètre
refroidi et thermomètre ordinaire). L'appréciation du début de la
condensation marquant ce « point de rosée » est parfois délicate ; des
dispositifs photo-électriques permettent une certaine automatisation et,
par asservissement du système de réfrigération, une marche continue de
cet appareil. Au lieu de produire le refroidissement d'une plaque
métallique polie sur laquelle on observe la formation de la buée, on
peut, dans une enceinte, provoquer un refroidissement par détente
adiabatique et examiner la formation d'un nuage de gouttelettes.
Les psychromètres et les hygromètres à point de rosée, malgré certains
défauts, sont largement utilisés pour les mesures courantes ; ils
fournissent, avec un appareillage relativement simple et peu coûteux,
des mesures dont la précision est suffisante pour les besoins ordinaires
de la météorologie.
Sur :
http://www.domosystem.fr/indexref.asp?lien=./mollier.htm
on trouve une version imprimable de l'abaque de Mollier pour calculer la
valeur du point de rosée à partir de la température et du taux
d'humidité relative. On y trouve aussi un programme "Calculette de point
de rosée".
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Aujourd'hui, l'idéal du progrès est remplacé par l'idéal de l'innovation :
il ne s'agit pas que ce soit mieux, il s'agit seulement que ce soit nouveau,
même si c'est pire qu'avant et cela de toute évidence. Montherlant
Technologie aéronautique : http://aviatechno.free.fr