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La vaporisation peut être réalisée de plusieurs manières. Le cas réel n’est pas un cas simple. Il s’agit d’une transformation irréversible, c’est-à-dire que l’on ne pas revenir en arrière de manière simple. Les deux cas les plus courants sont :

  • l’Ébullition, c’est à dire la formation de bulles de vapeurs au sein du liquide.
  • l’Évaporation, c’est à dire la vaporisation du liquide en contact avec l’air libre. Il s’agit alors d’un phénomène de surface.

Pour mieux comprendre le phénomène, nous simplifierons l’étude en envisageant l’évaporation dans le vide ou dans une atmosphère gazeuse.

La vaporisation

La vaporisation est l’une des six transformations fondamentales de la physique. Il s’agit du passage d’un corps de l’état liquide à l’état gazeux. Suivant les conditions de réalisation elle peut prendre la forme d’une évaporation ou d’une ébullition. La vaporisation demande en général une quantité d’énergie non négligeable. Cela permet, par exemple, d’utiliser la vapeur pour servir d’intermédiaire entre le dispositif produisant la chaleur (la chaudière) et le dispositif utilisant la chaleur. La vaporisation est utilisée dans de nombreux mécanismes de conversion d’énergie, en tant qu’intermédiaire, de stockage d’énergie. Par exemple dans une centrale thermique de production d’électricité (centrale classique ou nucléaire), l’énergie libérée par la combustion ou fission nucléaire est utilisée pour vaporiser de l’eau, la vapeur d’eau entraînant une turbine (dans le cas d’une centrale nucléaire, il y a deux circuits intermédiaires utilisant de l’eau, ou éventuellement du sodium). Le même phénomène est à l’œuvre dans la locomotive à vapeur où l’énergie du charbon est utilisée après vaporisation d’eau, la vapeur dégagée servant à actionner les pistons du moteur.

Rappel sur la vaporisation

La vaporisation (appelée aussi ébullition), correspond au changement d’état d’un corps liquide vers un corps gazeux. Elle porte 3 noms, bien distincts, et qu’il faut surtout éviter de mélanger :

  • On l’appelle évaporation lorsque le phénomène est lent. Il ne concerne que la surface d’un liquide. Exemple : Mettez de l’eau dans une casserole et chauffez-la. Lorsque la température de celle-ci va se rapprocher de 100°C (température correspondant au changement de l’état liquide à l’état gazeux pour l’eau) vous allez voir un brouillard s’échapper de la casserole (De la vapeur s’échappe, mais elle ne peut être vue, c’est un gaz invisible, de minuscules gouttelettes d’eau provenant de la condensation de la vapeur d’eau forment le brouillard visible). C’est l’évaporation.
  • On l’appelle vaporisation lorsque le phénomène est rapide. C’est-à-dire avec une formation de bulles de vapeur au sein du liquide. Exemple : À la suite de l’exemple précédent vous continuez à chauffer l’eau. Lorsqu’elle va atteindre 100°C, vous allez voir des bulles de vapeur remonter à la surface. C’est la vaporisation. (Pour information les bulles qui remontent à la surface sont composées de vapeur mais aussi de gaz dissous dans l’eau qui sont expulsés de l’eau lorsqu’ils sont chauffés).
  • On l’appelle caléfaction lorsque le phénomène est brutal. Il y a formation d’un film de vapeur autour d’une gouttelette de liquide. Exemple : Lorsque vous faites tomber de l’eau sur une plaque chaude, vous pouvez voir les gouttes « sauter » sur la plaque. C’est la caléfaction. En réalité lorsque la gouttelette d’eau tombe sur la plaque, son contour va se vaporiser et sachant que la vapeur prend environ 10 fois plus de place que l’eau, la gouttelette d’eau va être propulsée ; d’où le fait que l’on voit ces gouttelettes d’eau « sauter ». (Il est déconseillé de réaliser cette dernière expérience car les plaques n’apprécient pas ce phénomène, surtout les plaques électriques qui risquent à force de se fissurer).

Chaleur latente de vaporisation

La chaleur latente de vaporisation est la quantité de chaleur qu’il faut fournir à 1kg d’eau (à pression et température constantes) pour obtenir 1kg de vapeur saturée. L’unité est le Joule par kilogramme (J.kg-1) et est notée : Lv. Voici la courbe représentative de la chaleur latente de vaporisation de l’eau :

L = f(T)

Pour bien comprendre la définition, on représente la courbe de la Température en fonction de la Chaleur :

  • Dans la première partie du graphique, à gauche, est représentée la chaleur d’échauffement. Dans cette partie, il n’y a que de l’eau. Si on imagine que l’on est à la pression atmosphérique, le point de départ de la courbe sera le 0°C et le point d’arrivée de la première partie sera le 100°C. Entre ces deux points, rien de compliqué, plus l’on veut augmenter la température de l’eau plus il faudra d’énergie, donc de chaleur.
  • Dans la deuxième partie du graphique, est représentée la chaleur latente de vaporisation. Si on imagine toujours que l’on est à la pression atmosphérique, la température sera de 100°C dans toute cette portion. À gauche, on aura de l’eau, et plus on admettra de chaleur, plus cette eau se transformera en vapeur jusqu’à arriver à droite en vapeur saturée, où il n’y aura plus que de la vapeur. On appelle aussi cette partie état diphasique, car on est en présence d’eau et de vapeur. La courbe suivante sera certainement plus parlante que cette longue phrase :

  • Dans la troisième et dernière partie, est représentée la chaleur de surchauffe. Dans cette partie il n’y a que de la vapeur. Si on imagine que l’on est à la pression atmosphérique, le point de départ de la courbe sera le 100°C (le 100°C en vapeur, c’est-à-dire à partir du point de vapeur saturée), et plus on admettra de chaleur plus l’on augmentera la température de la vapeur.

Chaleur totale

La chaleur totale est la quantité de chaleur qu’il faut fournir à 1kg d’eau à la température initiale pour le transformer en 1kg de vapeur saturée à la température finale.

Titre de la vapeur

Le titre de la vapeur est la quantité de vapeur contenu dans le mélange eau-vapeur lors de la vaporisation. Le titre, noté X, est compris entre 0 et 1 et ne possède pas d’unité.

Le rapport se calcule pour 1kg de mélange d’eau et de vapeur et varie de 0 à 1. Pour X = 0, alors 0% de vapeur dans le mélange ; Pour X = 1, alors on a 100% de vapeur dans le mélange.

  • Pour que X = 0, il faut que la masse de vapeur soit égale à 0. Ceci est valable jusqu’au moment où l’eau est à température d’ébullition sans bulle de vapeur.
  • Pour que X = 1, il faut que la masse d’eau soit égale à 0. Ceci est valable à partir du moment où la dernière goutte d’eau s’est transformée en vapeur ; on parle de vapeur saturée.
  • Quand le titre est compris entre 0 et 1, on parlera de vapeur saturée humide

Condensation

La condensation (appelée aussi liquéfaction), correspond au changement d’état d’un corps gazeux vers un corps liquide. Elle est visible au quotidien ; les vitres de voiture, les verres de lunettes, les fenêtres embuées, ou encore les toiles d’araignées après que l’humidité de la nuit se soit condensée en gouttes d’eau sur les fils. La chaleur latente de condensation est la quantité de chaleur qu’il faut extraire à 1kg de vapeur saturée (à pression et température constantes) pour obtenir 1kg d’eau. L’unité est le Joule par kilogramme et est notée : LC La chaleur latente de condensation est basée sur les mêmes principes que la chaleur latente de vaporisation. Sa seule différence est qu’elle cède de l’énergie pour passer de l’état gazeux à l’état liquide, contrairement à la chaleur latente de vaporisation qui demandait de l’énergie pour passer de l’état liquide à l’état gazeux.

Le rôle de la pression

La simple observation du diagramme de Clapeyron nous permet de prévoir qu’une diminution de la pression au dessus d’un corps conduira à un abaissement de sa température d’évaporation. La formule de Clapeyron ou relation de Clausius-Clapeyron est une relation permettant d’établir l’évolution de la pression d’équilibre en fonction de la température d’équilibre au cours d’un changement d’état physique d’un corps pur. La connaissance expérimentale de cette évolution de la pression en fonction de la température d’équilibre, permet la détermination de la chaleur latente L du changement d’état ou plus généralement du changement de phase. Un changement d’état physique est une transformation de la matière. Il est caractérisé par la coexistence de deux phases pures et s’effectue généralement, à température et pression constantes. La seule variable indépendante du système est alors la variable de composition permettant de définir les quantités de chaque phase à l’équilibre. On peut alors considérer le changement d’état comme une sorte de réaction chimique particulière effectuée à T et P constante mais sans qu’il y ait changement de la nature chimique des constituants.

L’étude d’une certaine forme de l’énergie du système ; l’enthalpie libre ; permet d’établir une expression différentielle de ces changements d’état : l’expression différentielle de la formule de Clapeyron :

equation

L’intégration, un traitement mathématique, de cette équation dans le cas de la vaporisation permet d’obtenir les courbes de pression d’équilibre correspondant aux branches de vaporisation et de sublimation sur le diagramme de Clapeyron :

equation

Ou encore pour mettre en valeur la température :

equation

On s’aperçoit donc qu’une diminution de la pression conduit à une diminution de la température d’ébullition.

Pression de vapeur saturante

La pression de vapeur saturante ou tension de vapeur est la pression à laquelle la phase gazeuse de cette substance est en équilibre avec sa phase liquide ou solide à une température donnée. Elle dépend exclusivement de la température. Si l’on tente de dépasser cette pression le corps pur passe sous forme liquide (ou solide). On dit aussi que c’est la pression maximale de sa vapeur « sèche » (c’est-à-dire sans phase liquide). Quand la pression partielle de la vapeur est égale à la pression de vapeur saturante d’une substance, les phases gazeuse, liquide ou solide sont dites en équilibre. À partir d’une situation d’équilibre, cela peut se faire soit en augmentant la pression partielle de vapeur (par exemple en diminuant le volume), ou bien en diminuant la valeur de la pression de vapeur saturante, ceci est possible en diminuant la température.

Les échanges de chaleur

Comme nous l’avons vu, la notion de chaleur latente de vaporisation est une notion essentielle dans la distillation. Elle correspond à la quantité de chaleur nécessaire à l’unité de quantité de matière (mole) ou de masse (kg) d’un corps pour qu’il change d’état. Cette transformation est envisagée à pression constante. L’énergie échangée lors du changement d’état résulte de la modification des liaisons intermoléculaires dans le composé. Par exemple, l’eau bout, sous la pression d’1 atmosphère, à 100°C. La quantité de chaleur fournie alors pour transformer 1 litre d’eau liquide en vapeur est de 2257kJ. S’ajoute à cela la quantité d’énergie fournie à l’eau pour élever sa température à 100°C, ainsi que, dans le cas d’une distillation, la quantité de chaleur fournie à la vapeur pour lui permettre de passer la tête de colonne.

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samedi, juin 24, 2017