Vapeur d'eau
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Le Old Faithful du parc national de Yellowstone se vaporise partiellement à sa sortie dans l’atmosphère.
Courbe de création de la vapeur d’eau (dont le domaine est en grisé) ; en ordonnée (échelle logarithmique), la pression en bars ; en abscisse, la température en degrés Celsius.

D'après le dictionnaire de physique de Mathieu (professeur à l'Université P & M Curie), Kastler (prix Nobel de physique) et Fleury (directeur de l'institut d'optique) de 1985, "La vapeur est l'état d'un fluide occupant tout l'espace qui lui est offert, au-dessous de sa température critique Tc. Au dessus de Tc, la vapeur devient un gaz[1]." Puis ce dictionnaire distingue la vapeur saturante, qui est en équilibre avec le liquide de même composition chimique et la vapeur sèche qui est non saturante.

D'après ce dictionnaire, la vapeur n'est donc pas définie comme un gaz, mais comme un fluide qui, dans certains cas (au-dessus de sa température critique), est un gaz. Cette définition indique donc que la vapeur d'eau est, dans les conditions habituelles, constituée du gaz eau et du brouillard eau. Limiter la vapeur d'eau au gaz eau (invisible) est donc impropre au regard de cette définition.

La température de la vapeur d'eau peut donc être :

  • inférieure à la température d'ébullition de l'eau, elle est alors constituée, à pression atmosphérique, de gaz eau et d'eau liquide (brouillard) à l'équilibre ; c'est une vapeur qualifiée de saturante par le dictionnaire cité ci-dessus. La diminution de la pression peut transformer cette vapeur en gaz.
  • supérieure à la température d’ébullition de l’eau liquide (100 °C à pression atmosphérique), elle est alors constituée, à pression atmosphérique, uniquement de gaz eau ; c'est une vapeur sèche, un gaz donc. Si la pression augmentait, une vapeur saturante pourrait se former.
  • supérieure à la température critique, soit 374,1 °C. Cet état peut être appelé vapeur supercritique ; c'est un état gazeux. Ce gaz ne peut devenir une vapeur saturante à aucune pression.

La notion de vapeur n'est pas limitée à la vapeur d'eau, même si dans la vocabulaire de la vie quotidienne, vapeur est synonyme de vapeur d'eau. Dans les conditions ordinaires, les expressions vapeur de mercure ou vapeur de solvant sont correctes au regard de la définition ci-dessus. En revanche, l'expression vapeur d'air n'a de sens qu'à basse température, si l'air est susceptible de se condenser.

Sommaire

Propriétés physiques

Les propriétés de la vapeur d’eau ont fait l’objet de très nombreuses études en raison de son usage courant dans de nombreux domaines, notamment dans l’industrie, et de son rôle important dans divers phénomènes naturels, comme les échanges thermiques au sein de l’atmosphère terrestre (voir météorologie).

La pression de vapeur saturante est une fonction de la température pour laquelle de nombreuses formules d’approximation ont été établies. La plus simple est la formule de Duperray dont la précision est de quelques pourcents entre 95 °C et 230 °C :

 \qquad p_S = \left(\frac{t}{100}\right)^4

qui donne pS en atmosphères pour t exprimé en degrés Celsius.

Propriétés de la vapeur d’eau et de l’eau liquide aux conditions de saturation

Tempéra-
ture
(°C)
Tension
de vapeur

(kPa)
Volume massique (m³/kg) Chaleur de
vaporisation
(kJ/kg)
Liquide Vapeur
-15 0,191 8  
0 0,611 0,001 000 21 206,310 2 500
100 101,325 0,001 043 5 1,673 2 257
200 1 555,0 0,001 156 5 0,127 18 1 938
300 8 592 0,001 403 6 0,021 62 1 403
374 22 087 0,002 79 0,003 65 147

Le point critique de l’eau est : 374,1 °C, 220,87 bar.

Chaleur massique à volume constant, 100 °C, 1 atm : 1410 J/kg.K

Vitesse du son : 401 m/s à 130 °C ; celle-ci augmente très fortement avec la température : elle est d’environ 800 m/s à 1 000 °C.

Utilisation industrielle

Montage d’une turbine à vapeur Siemens

L’industrie a fait de nombreux usages de la vapeur d’eau ; principalement comme fluide caloporteur ou pour le fonctionnement de machines à vapeur (voir en particulier la turbine à vapeur, la locomotive à vapeur). Accessoirement, sa détente est utilisée dans des éjecteurs à vapeur servant à pomper des fluides (pour faire le vide, par exemple), ou dans des sirènes ou sifflets. On utilise aussi ses propriétés de transfert de chaleur pour les procédés de stérilisation.

La vapeur est produite dans des chaudières chauffées par un combustible fossile, parfois électriques, ou bien plus généralement par ébullition de l’eau mise au contact d’une source chaude, comme indirectement dans les générateurs de vapeur des réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP), ou directement dans les réacteurs nucléaires à eau bouillante (REB), ou dans le sous-sol afin d’exploiter l’énergie géothermique ou encore dans les centrales solaires à concentration.

Tables de vapeur

Les tables de vapeur sont des tables de données thermodynamiques concernant l'eau et la vapeur. Les bases de données informatiques ont remplacé les tables imprimées. Elles sont utilisées par les chercheurs et ingénieurs dans la conception des processus et des équipements utilisant la vapeur. Les diagrammes thermodynamiques des phases eau/vapeur, les diagrammes entropie/température, les diagrammes de Mollier sont aussi d'usage courant dans ce domaine

Autres utilisations

Fer à vapeur, dont la semelle est percé d’orifices destinés au passage de la vapeur.

Il existe de nombreux usages domestiques de la vapeur d’eau, notamment :

La vapeur est également utilisée dans :

Gaz à effet de serre

Présente en grande quantité dans l'atmosphère, la vapeur d'eau est le principal gaz à effet de serre.

Voir aussi

Liens internes

Liens externes

Références

  1. J.P. Mathieu, A. Kastler et P. Fleury, Dictionnaire de physique, Paris, Masson - Eyrolles, 1985, 2°e éd., 568 p. (ISBN 2-225-80479-6) 


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