Chapitre XII : La vapeur d eau

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1 hapitre XII : aper d ea hapitre XII : a aper d ea XII1 : Introdction et éfinition an la thermiqe, parallèlement a gaz, on tilie à large échelle le aper de différent liqide; parmi leqelle la pl réponde, et la aper d ea elle-ci, et tiliée comme flide moter dan le moter à aper, aini qe, comme agent caloporter dan le appareil échanger de températre an le de ca, la aper d ea et tiliée à de preion et températre qi rendent impoible l application de loi de gaz parfait; donc, de ler éqation d état et porqoi, la aper d ea doit être conidérée comme n gaz réel a aper pet être obtene de de façon : par éaporation et par ébllition 1 Eaporation : on appelle éaporation, la formation de aper ayant lie element à la rface d n liqide or de l éaporation, la rface libre d liqide laie échapper de molécle qi dipoent d ne itee éleée et celle-ci, circlent dan le milie ambiant 2 Ebllition : l ébllition et le phénomène de formation de la aper opérant dan tote la mae d liqide or de l ébllition, il e forme de blle de aper ai bien à la rface q à l intérier d liqide e blle, dont la denité et infériere à celle d liqide, cherchent à regagner la rface en e joignant alor a atre blle de aper por échapper enite dan l epace ambiant ébllition a lie à ne températre déterminée por n liqide donné et ne preion donnée ette températre et appelée températre (o point) d ébllition et era déignée par t Eemple : por l ea o la preion atmophériqe at = 1,13 bar, la températre d ébllition et t =1 Elle élèe qand la preion croît et dimine qand la preion décroît iant e propriété, la aper pet être atrée o rchaffée 1 aper atrée : On appelle aper atrée, la aper qi e forme en préence de l ea et e troe en état d éqilibre aec celle-ci; c'et-à-dire q il y a éqialence entre le nombre de molécle échappant d liqide et reenant à celi-ci a températre de la aper atrée et d liqide qe celi-ci contacte, et appelée températre de atration a aper atrée pet être èche o hmide On appelle aper atrée èche, ne aper abolment eempte de gottelette d liqide On appelle aper atrée hmide, le mélange de aper atrée èche et d liqide en ébllition 4 aper rchaffée : i, à la aper atrée èche, il et forni n pplément de chaler à ne preion identiqe à celle de la aper atrée èche, celle-ci deient rchaffée ette chaler pplémentaire et appelée chaler de rchaffée On dit qe la aper et rchaffée i a températre et pl éleée qe celle de la aper atrée à ne même preion a températre de la aper rchaffée et déignée par la lettre t a différence t t et appelée degré de rchaffe or de thermodynamiqe (par r HENNI MNOR Z) age 146

2 hapitre XII : aper d ea 5 reion de aper atrante températre de atration : i l on enferme n liqide et a aper d ea dan ne enceinte préalablement idée, dont on contrôle la preion o la températre, on contate qe por chaqe températre, il eite ne aler de la preion à laqelle le phae liqide et aper coeitent en éqilibre ette preion notée at c et la preion de aper atrante a aper en éqilibre aec le liqide qi li a donné naiance porte le nom de aper atrante éqilibre entre le phae liqide et aper à lie, or ne aler de températre notée at (dépendant de la preion) et q on appelle températre de atration o températre d ébllition 1 ap rchaffée liq iq + ap atrée hmide 2 3 1) oint critiqe 2) empératre critiqe 3) orbe de atration ) oint o températre d ébllition o de atration ) aper atrée èche e lie de point entre et, et appelé corbe d ébllition e lie de point entre et, et appelé corbe de roé iotherme critiqe (c) admet o point ne tangente horizontale ( / ) c = n point d infleion ( 2 / )c = itre de aper : ote le corbe =cte ont tangente en à la corbe de atration af celle por =,5 oient et repectiement le olme maiqe d liqide et de la aper; par définition, le titre en aper noté et la mae de aper contene dan l nité de mae d mélange : mae de aper 1- : mae de liqide = (1-) + : olme maiqe d mélange ' M or de thermodynamiqe (par r HENNI MNOR Z) age 147

3 hapitre XII : aper d ea M c X= X=1 X=1 X=9 XII2 : haler latente de aporiation et la qantité d énergie q il fat fornir à l nité de mae (M) d n corp por faire paer celi-ci de l état liqide à l état gaze ( la températre retant contante ) On la note par : Or : Q d l d d d d an le ca générale : =cte et =(t) δq = d d ' d d d Q d ' aec : : olme maiqe d liqide d formle de clapyron : olme maiqe aper Remarqe : ez loin d point critiqe : >> Formle de REGN = 66,5, 695 t = , 9 t en kcal/kg en kj/kg d ' d XII3 : haler maiqe le long de la corbe de atration On appelle chaler maiqe de l nité de mae (M) d liqide de atration, la qantité telle qe, por paer de à r la corbe de atration, on et à fornir ne qantité de chaler : δq = d = δq/d e même, on appelle chaler maiqe de l nité de mae de la aper atrée, la qantité telle qe por paer de à r la corbe de atration, on et à fornir ne qantité de chaler telle qe = δq /t or de thermodynamiqe (par r HENNI MNOR Z) age 148

4 hapitre XII : aper d ea δq δq = =1 +d XII4 : Entropie le long de la corbe de atration or éleer de d par oie réerible ( δi= ) l M d liqide de atration i, por = on donne = δq = d d i, on e troe loin d point critiqe () on a : cte Q d d d ln e même, por l M de la aper atrée èche, aec la même hypothèe : = ara : =, on ' d oin d point critiqe (), cte ' ln M or de thermodynamiqe (par r HENNI MNOR Z) age 149

5 hapitre XII : aper d ea XII5 : Entropie de la aper atrée aper rchaffée XII51 : ariation d entropie (liqide atrant () aper atrée èche ()) i on pae maintenant par oie réerible à la températre, d liqide atrant point () à la aper atrée èche point (), la ariation d entropie et : Q ' : entropie maiqe de la aper atrée èche : entropie maiqe d liqide atrant Q où finalement : Q dh H H ( ==cte ) d ' a général : ' ' oin de point critiqe l cte ' ln XII52 : a de la aper atrée hmide Mélange ( liqide atrant-aper ) de mae m=1kg à la températre : la mae d aper 1- : la mae d liqide atrant On pae donc d liqide de atration (entropie ) à celi d mélange (entropie ) en li forniant la qantité de chaler Q = Q d a général i cte on a : ln point M (1-) Kg de liqide entropie = (1-) Kg aper atrée hmide entropie = ( 1 ) ' ' M XII53 : Entropie de la aper rchaffée a aper rchaffée étant conidérée comme n gaz parfait ; no aon : d = = cte d d aec = or de thermodynamiqe (par r HENNI MNOR Z) age 15 d

6 hapitre XII : aper d ea * * = cte iagramme de clapyron (,) iagramme entropiqe (,) XII6 : Energie interne d ne aper atrée et rchaffée XII61 - Energie interne d ne aper atrée ttribon l énergie à l M d liqide atrant à la températre la températre, l énergie interne de l M d liqide et : En fait, d d d (d = δ Q d) repréente la dilatation d liqide entre et, et tojor négligeable d énergie interne de liqide atrant (=) e ' Q d Wp ( ' ) = = cte d ( ' ) a général Energie interne aper atrée hmide i cte t ( ' t ) i =1 (aper atrée èche) d ( ' ) 1 or de thermodynamiqe (par r HENNI MNOR Z) age 151

7 hapitre XII : aper d ea or de thermodynamiqe (par r HENNI MNOR Z) age 152 XII62 - Energie interne aper rchaffée d = δ Q + δ Wp = d d donne : d ) ' ( aec : ==1 d d ') ( ) ' ( p d d ' ' d d a général Energie interne aper rchaffée XII7 : Enthalpie d ne aper atrée et rchaffée XII71 : Enthalpie d liqide le long de la corbe de atration H = + ; trè petit ( = 273 K) H = d H Enthalpie de l M d liqide atrant à la températre, (preion ) XII72 : Enthalpie d mélange liqide aper de titre d H H or =1 (aper atrée èche point ) d H XII73 : Enthalpie de la aper rchaffée or la aper rchaffée iobare effectant a point, l enthalpie de la aper rchaffée et : H H = p d H = H + p d o p d d H ca général : Repréentation de l Enthalpie H r le diagramme entropiqe (,) e terme apparaît pratiqement comme n terme correctif et pet dan beacop d application être négligé enthalpie H et repréentée par l aire hachrée

8 hapitre XII : aper d ea iq+ap = =1 d p d XII8 : aporiation dan le diagramme () et () e proce de formation de la aper pet être deié en troi étape : -1- haffage de l ea jq à la températre d ébllition -2- Eaporation de l ea e ébllition et formation de la aper atrée èche -3- ranformation de la aper atrée èche a aper rchaffée Repréenton le troi (3) étape de aporiation citée pl hat dan le diagramme () et () On coniderera qe la tranformation e dérole à preion contante, ce qi à lie pratiqement dan le chadière à aper oit 1Kg d ea omi à ne preion, préente ne températre et n olme (point1) En chaffant l ea à preion contante, le olme monte et la températre agmente jq'à la températre d ébllition (point 2) En continant à chaffer, l ea en ébllition e tranforme en aper atrée èche à températre contante (palier 2 3) Entre 2 et 3, e troe n mélange d ea et de aper (aper atrée hmide) En continant à chaffer à preion contante, la aper atrée èche e tranforme en aper rchaffée a températre de la aper et on olme agmentent reion critiqe 1 2 * liqide iq +ap * 3 4 empératre critiqe iotherme aper 1 * 2 3 iq+ap 4 * reion cte ap orbe de atration orbe de atration iagramme, iagramme, Remarqe : or la même mae d ea et por ne preion 1>, on contate qe la températre d ébllition agmente ai e même, i on a ne preion 2<, la températre d ébllition dimine or de thermodynamiqe (par r HENNI MNOR Z) age 153

9 hapitre XII : aper d ea XII9 : Eqilibre liqide aper XII91 : Repréentation graphiqe dan le diagramme de clapyron Eaporation: éoltion d flide et iotherme état de départ ( liqide) On détend le liqide jq à la preion de aper atrante corbe (1) où la première particle de aper apparaît On contine à détendre =at = cte, la mae de aper agmente Qand tot le liqide era éaporé (point ), la preion décroît ondenation : éoltion d flide et iotherme Etat de départ (aper) On comprime la aper jq à ne preion at où la première gotte d liqide apparaît On contine à comprimer =at = cte, tant q il y a de la aper a mae d liqide agmente Qand tote la aper et liqifiée, la preion croît : première particle de aper apparaît : dernière gotte de liqide diparaît K : point critiqe correpondant à ne températre critiqe c -delà de c, il n y a qe la aper qelqe oit la preion : première gotte de liqide apparaît (condenation corbe 2) On a en ce point la aper atrée èche : tote la aper e liqifiée ernière particle de aper diparaît e lie de point (entre et k) et appelé corbe d ébllition ( là où commence l ébllition o l éaporation) e lie de point E (entre E et k) et appelé corbe de roé ( la où commence la condenation ) p 2 1 K > k empératre critiqe iq iq - ap orbe de atration ap E 1 2 XII92 : Repréentation graphiqe dan le diagramme (,) an le diagramme (,), la corbe obtene et appelée corbe de aporiation = f(t) arrête a point critiqe or de thermodynamiqe (par r HENNI MNOR Z) age 154

10 hapitre XII : aper d ea pproimatiement, la preion de atration at, pet être dédite en fonction de la températre, par la formle de ERY ( applicable entre 1 et 25 ) =,98 (t/1) 4 o (t/1) 4 t = () 1/4 1 * at olide liqide * τ ( point triple) aper iagramme, t tc t or de thermodynamiqe (par r HENNI MNOR Z) age 155