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La pression peut être définie comme une force divisée par la surface sur laquelle elle s'applique. En tant que paramètre physique, la pression, tout comme la température, joue un rôle extrêmement important dans la plupart des domaines. Du point de vue de la thermodynamique, il s'agit d'une grandeur intensive, c'est-à-dire qui ne dépend pas de la quantité de matière.

Définitions

La pression, notée P, admet plusieurs définitions qui coïncident toutes. Il s’agit toujours d’une grandeur scalaire, c'est-à-dire numérique. En mécanique, la pression est définie localement à partir de la composante de la force normale à la surface sur laquelle elle s'exerce. Si on considère une surface élémentaire dS de normale subissant une force , alors la pression P est définie par :

Dans le cas d'une force perpendiculaire à une surface plane d’aire S, on obtient la définition suivante :

La pression est perpendiculaire à la surface sur laquelle elle s'exerce. La composante de la force tangentielle à la surface d'exercice s'appelle la contrainte tangentielle. Elle est homogène à une pression et est mise en jeu dans les phénomènes de viscosité notamment. En thermodynamique, la pression est définie à partir de l'énergie interne U(V,S,N) par :

Pour un fluide newtonien, la pression est strictement positive car il faut fournir de l'énergie (ΔU > O) pour diminuer le volume (ΔV < O). Pour les fluides non newtoniens, il est possible d'avoir des pressions négatives. Ces pressions négatives sont dues à des effets de surface et sont reliées à la tension superficielle.

Unités et mesures de pression

Unités

Il existe plusieurs unités de pression utilisées selon les disciplines.

  • Le pascal (Pa) est l'unité du système international. Une pression de 1 pascal correspond à une force de 1 newton exercée sur une surface de 1 m2. Autrement dit, le Pascal s'exprime en N.m-2
  • Le bar est égal à 105 pascal.
  • Le pièze est une unité dérivée du système mètre-tonne-seconde (système mts) utilisé dans l'ancienne Union Soviétique entre 1933-1955. 1 pz = 1 kPa.
  • Le psi, de l'anglais pound per square inch (livre par pouce carré) est une unité anglo-saxonne valant 6 894 Pa ou encore 0,068 94 bar. Elle est très utilisée notamment en hydraulique, en oléohydraulique et en hydrostatique.
  • Le millimètre de mercure (symbole mmHg), encore appelé torr en hommage au physicien italien Evangelista Torricelli, vaut 133,3 Pa.
  • Le millimètre d'eau, ou le centimètre d'eau.
  • Le barye (symbole ba) est une unité du système CGS. Il vaut une dyne par centimètre carré ou 0,1 Pa.
  • L'atmosphère normale (symbole atm) vaut 101 325 Pa
  • L'atmosphère technique (symbole at) ou ATA équivaut à 98 066,5 Pa.
  • Enfin on exprime couramment la pression en kg/cm² (ou kg force/cm²) - Le kg/cm² n'est pas une unité utilisée en physique - Un kg/cm² est à peu pres égal à un bar .

Ordres de grandeurs

Pression

Exemple

1 µPa

la pression dans un tube à vide. la pression typique d'un son dans l'eau.

20 µPa

le seuil de l'audition humaine. Les oscillations de la pression de l'air de cette amplitude, aux fréquences entre 1 et 5 kHz, sont les plus petites que l'oreille peut entendre dans un environnement sans bruit.

1 Pa

la pression exercée par une mouche se tenant sur un timbre postal dans le vide (globalement).

100 Pa

le seuil de la douleur. Les sons au-dessus de cette amplitude sont insupportables et peuvent causer une douleur auditive. Une exposition prolongée peut conduire à une perte de l'audition.

101,325 kPa

la pression atmosphérique du niveau de la mer sur Terre = 1013,25 hPa.

180 à 250 kPa

la pression dans un pneumatique de voiture.

407 à 607 kPa

la pression dans une bouteille de Champagne.

10 MPa

les nettoyeurs haute pression expulsent l'eau à cette pression.

12 MPa

la pression exercée par une femme de 60 kg portant des talons aiguille.

100 MPa

la pression au fond de la fosse des Mariannes, environ 10 km sous la surface de l'océan.

10 GPa

la pression à laquelle le diamant se forme.

Mesures de pression

La mesure d'une pression fait appel à des techniques très diverses, directes ou indirectes, selon les gammes de pression en jeu. L'appareil de mesure de la pression est le manomètre. Pour la pression atmosphérique, on utilise le baromètre. On peut également utiliser un vacuomètre pour mesurer la pression d'un gaz dans un tube à vide ou encore un hypsomètre, dispositif basé sur la température d'ébullition d'un liquide.

Vers les basses pressions

Vide

Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone d'espace. En physique, le vide est un concept qui recèle des propriétés tout à fait surprenantes et néanmoins fondamentales. Ce n'est pas le néant (l'absence de tout). La physique moderne nous indique d'ailleurs qu'il est tout à fait pertinent de discuter de l'énergie du vide. On peut dans une première approche dire que le vide est un espace dans lequel les molécules sont fortement raréfiées. Ainsi, pour « faire le vide », on prend une enceinte étanche et on pompe l'air avec une pompe à vide ; on définit la qualité du vide par la pression d'air résiduelle, exprimée en pascals (Pa, unité du système international), ou plus souvent dans le milieu industriel en millibars (mbar) ou torrs (mm de mercure). On ne peut atteindre ainsi qu'un vide partiel, quelle que soit la température. Un vide considéré comme très poussé, « ultravide », correspond à une pression de l'ordre de 10-8 Pa. On y dénombre encore 2 millions de molécules par centimètre cube. Par comparaison, au sein des gaz interstellaires on trouve 1 atome par centimètre cube. Les ondes électromagnétiques traversent le vide, et c'est le milieu qui s'oppose le moins à leur avancement ; il y a dans le vide des variations du champ électrique et du champ magnétique, mais ces champs ne nécessitent aucun support matériel. Le vide total nécessite donc l'absence à la fois de matière mais aussi de rayonnement. Einstein consacre l'annexe 5 de son livre Relativité - Théories spéciale et générale à la relativité et au problème de l'espace. Il y cite Descartes et Kant et donne raison au premier contre le second, en niant l'existence du vide, c'est-à-dire, précise-t-il, l'existence d'un espace vide de champ. Il note dans sa préface à la 9e édition du livre : « les objets physiques ne sont pas dans l'espace, mais ces objets ont une étendue spatiale. De la sorte, le concept d' « espace vide » perd son sens».

Qualité du vide

Le vide « parfait » n'existe pas, il s'agit en fait d'une très faible pression ; un vide considéré comme excellent (10-8 Pa) contient encore 2,4 millions de molécules par centimètre cube à 294 K. Il existe différents types de pompes à vide, pour atteindre différentes gammes de pression. Pour décrire la qualité du vide, on distingue 4 domaines qui caractérisent la quantité de matière restante par rapport à un volume. À chacun de ces domaines correspond une gamme d'appareils.

Domaine de vide

Pression en mbars

Molécules par cm³

Libre parcours moyen d'une molécule

Vide primaire ou industriel

1 000 - 1

1019 - 1016

0,1 - 100 μm

Vide moyen

1 - 10-3

1016 - 1013

0,1 - 100 mm

Vide poussé ou vide secondaire

10-3 - 10-7

1013 - 109

10 cm - 1 km

Ultravide

10-7 - 10-12

109 - 104

1 km - 105 km

Ultra-ultravide

<10-12

<104

>105 km

La pression du vide

Une des propriétés les plus curieuses du vide quantique est mise en évidence par l'effet Casimir. Lorsque le vide est réalisé entre deux plaques conductrices, et en l'absence de toute contrainte mécanique externe, une pression est exercée sur les plaques dont la valeur dépend de la géométrie particulière du système. Cet effet est expliqué dans le cadre de la théorie quantique des champs qui affirme que la notion de vide dépend de la géométrie. Ainsi le vide enfermé entre les deux plaques conductrices possède une densité d'énergie différente du vide extérieur à l'enceinte. Cette différence de densité d'énergie a pour conséquence directe l'apparition d'une force mécanique exercée sur l'interface séparant les deux milieux.

Pompe à vide

Une pompe à vide est un outil permettant de faire le vide, c'est-à-dire d'extraire l'air ou tout autre gaz contenu dans une enceinte close, afin d'en diminuer la pression.

Type de pompes

Vue en coupe d'une pompe à vide turbomoléculaire.

Il existe différents systèmes de pompes à vide, dont le choix dépend entre autres de la qualité du vide désirée. Elles ne servent qu'à vider les gaz non condensables et éventuellement les liquides. En raison de volumes trop important et des problèmes de corrosion ou de risque de mélange eau/huile, la vapeur d'eau du produit devra être captée intégralement par le piège (condenseur). Pendant la phase de dessiccation, les pompes servent à réguler le niveau de vide, bien qu'elles ne puissent pas faire face à un dégazage violent (par exemple si une bulle de gaz ou de liquide non congelé est crevée pendant la dessiccation). Les technologies les plus courantes sont : A palettes : Pompes à vide standard, lubrifiées à huile. Elles sont robustes, bien qu'elles ne tolèrent pas une absorption de vapeur d'eau très importante. On obtient des vides inférieurs à 10µbar sans trop de difficultés avec ce type de pompe. A anneau liquide : C'est une pompe permettant des vides grossiers (de l'ordre de 30mbar). En revanche, elles sont rapides et tolèrent très bien l'eau. On s'en sert donc en tout début de cycle pour accélérer la vidange de la cuve, ou pour vider le piège après une stérilisation. Pompes Roots : Ce sont des pompes qu'on utilise pour atteindre des niveaux de vide poussé. Elles ne seront démarrées qu'après être arrivé à un niveau inférieur à 100µbar. Elles ont eu meilleure tolérance à la vapeur d'eau, ce qui permet de protéger les pompes à palettes en cas de dégazage. Pompes sèches : Ces pompes tournent, elles, sans huile. On les utilise pour éviter tout risque de retours d'huiles sublimées dans les chambres de procédés, en cas de vide et/ou de froid poussé. Elles sont généralement très coûteuses, elles tolèrent le pompage de vapeur d'eau en prenant quelques précautions. D'un point de vue de la performance, les pompes sèches ne permettent pas d'obtenir des niveaux de vide aussi bons que les pompes à palettes. On reste fréquemment au-delà de la barre des 10-20 µbar. Par contre une relative absence d'entretien les rend très intéressantes. Pompage cryogénique : Il consiste à refroidir une surface avec de l'azote liquide par exemple, jusqu’à atteindre des températures inférieures à -100 °C.

Vers les hautes pressions

Il existe des gammes de composants pouvant supporter des plages de pression jusque 10 000 Bars en gaz ou liquide.

Autoclave

Un autoclave est un récipient à parois épaisses et à fermeture hermétique conçu pour réaliser sous pression (de quelques bars) soit une réaction industrielle, soit la cuisson ou la stérilisation à la vapeur. Pour qu'un matériel soit considéré comme stérile, la probabilité théorique d'isoler un germe doit être inférieure à 1%. C'est le niveau d'assurance de stérilité (NAS) réglementé par la norme EN 556. Le principe de l'autoclave a été inventé par Denis Papin en 1679, le 9 avril 1820 Pierre-Alexandre Lemare dépose un brevet "Marmite autoclave" qui sera améliorée par Nicolas Appert . En 1879 Charles Chamberland améliore le procédé à des fins médicales.

Principe de stérilisation

Les agents stérilisants sont la vapeur d'eau saturée sous pression ou l'eau surchauffée. La chaleur associée à l'humidité provoque la destruction des germes en réalisant une dénaturation protéique par hydrolyse partielle des chaînes peptidiques. La stérilisation par la vapeur est le mode de stérilisation le plus utilisé en milieu hospitalier.

Quatre éléments importants

La qualité de la vapeur, qui doit être saturée et homogène ; La température, qui doit être régulée au plus proche du barème ; La pression suivant la loi de Regnault ; La qualité de l'eau, la présence de substances en suspension risque d'entraîner une altération de la charge à stériliser de même que la présence de chlore dans l'eau peut endommager l'inox de manière irrémédiable.

Les quatre phases du cycle de stérilisation

Montées simultanées en pression par injection d'air comprimé et en température par injection de fluide caloporteur (vapeur ou eau surchauffée). Palier ou stérilisation. La température de palier est maintenue pendant un temps donné par le barème de stérilisation. Refroidissement. Diminution du couple température / pression. Retour à la pression atmosphérique À noter qu'une première étape constituée de successions de mises sous vide et d'injections de vapeur permet d'augmenter l'efficacité du palier de stérilisation en retirant l'air contenu dans la chambre de stérilisation et dans la charge à stériliser. En effet, les poches d'air constituent des points froids où la force stérilisatrice est diminuée. Un cycle d'autoclave a une durée variable en fonction du barème appliqué et du type d'objet à stériliser. En France depuis la circulaire n° 100 du 11/12/95 et 138 du 14/03/01, afin de faire face aux risques liés aux agents transmissibles non conventionnels (ATNC) les cycles à 134 °C sont obligatoires pendant un temps de plateau (phase 3) de 18 minutes. Ceci est appliqué aux hôpitaux, cela dépend du type de charge microbienne à traiter.

Validation d'un cycle de stérilisation

La valeur stérilisatrice, souvent appelée F0 ou VS, exprime la valeur létale (en minute) du cycle par rapport à un plateau théorique de stérilisation à 121,1 °C.

Éléments obligatoires

Selon la législation française, chaque autoclave doit pouvoir supporter une pression supérieure de 1/3 à sa pression d'utilisation maximale (si le timbre est de 3 bars, la pression d'épreuve est de 4 bars). Le timbre indique que l'autoclave a été testé par une organisation certifiée par le bureau des mines. Il doit être éprouvé au moins une fois par décennie, puis à chaque incident ou à chaque changement de place. Un autoclave doit comporter un manomètre gradué pour lecture directe de la pression, un thermomètre à lecture directe, un thermomètre enregistreur et deux soupapes de sécurité qui s'actionnent si la pression est supérieure à 3 bars. La soupape de sécurité de la chambre peut être remplacée par un disque de rupture, jugé plus sanitaire (utilisation industrie pharmaceutique)

Principe d'un autoclave de chimie

Les autoclaves de chimie travaillant sous haute pression sont soumis à la DESP (Directive Européenne Sous Pression). Ils sont le plus souvent équipés d'un disque de rupture (pastille d'éclatement) qui s'apparente à un fusible sous pression. En chimie, un autoclave permet de réaliser des réactions sous pression, telles que des hydrogénations, polymérisations, minations, etc. Les autoclaves de chimie ou de recherche permettent de travailler à des pressions jusqu'à 5000 bars et des températures allant jusqu'à 900 °C. Les autoclaves peuvent êtres équipés d'un système d'agitation qui sera à entraînement magnétique afin de s'isoler de la pression et de créer un vortex uniforme à l'intérieur du réacteur. Ainsi de nombreuses manipulations de recherche et expérimentations en laboratoire sont réalisées à partir d'autoclaves (recherche pharmaceutique, chimique, pétrolière...). Pour des améliorations de procédés ou en recherche fondamentale, le volume des autoclaves varie de façon inversement proportionnelle à la pression qu'ils doivent supporter. Ainsi, un autoclave de petit volume (50 cm³ à 300 cm³) supportera plus facilement la pression qu'un autoclave ayant un volume plus important (5 à 10 litres). Les autoclaves haute pression (ou réacteurs de recherche plus communément surnommés bombes de laboratoire) sont exclusivement réalisés dans des matériaux métalliques permettant d'offrir une résistance à la pression. La matière de fabrication la plus couramment utilisée pour les autoclaves étant l'inox en nuance 316 SS. D'autres métaux tels que l'Hastelloy C276 ou l'Inconel 600 sont utilisés pour des applications corrosives ou très haute température (Ex: 900 °C).

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mercredi, août 16, 2017