FORMULES de PHYSIQUE
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VAPORISATION
-vaporisation
La vaporisation est une transformation d'état dans laquelle un liquide devient gaz (les vapeurs ne suivent pas les lois des gaz parfaits)
TERMINOLOGIE
-vapeur saturante (ou humide)= coexistence des PHASES vapeur saturée et liquide à température d’ébullition.
Il y a alors beaucoup de particules d'eau en suspension dans la vapeur.
La pression est maximale et bloque l’évaporation (au-delà, il y aurait déséquilibre)
-vapeur saturée (ou sèche) = état d’équilibre instable, évitant les condensations.Il n'y a pas d'eau en suspension
La température est celle de saturation
-vapeur insaturée = zone antérieure à l’équilibre (il y a variation de quantité de vapeur)
-vapeur sursaturée = équilibre possible au-delà de l’état saturé, mais la température doit être > à celle de saturation mais < celle du point de rosée
-quantité de vapeur = le rapport: (masse de vapeur sèche) / (masse de vapeur humide)
PRESSION
-la pression de vapeur saturante
--cas général >>> pvs = F’.expT
pvs(Pa)= pression de vapeur saturante (c’est à dire en PHASE de coexistence liquide-gaz)
F' = facteur dimensionnel, inverse -entre autres- du rayon de la gouttelette
T(K)= température
--On écrit aussi cela sous la forme de la loi de Dupré
Log pvs = (y1- y2 ) / T - y3Log T
y1,2,3 sont des coefficients propres au corps en cause
Nota 1 : la vapeur non saturante est équivalente à un gaz parfait
Nota 2: la vaporisation est instantanée dans le vide
--Autre formulation logarithmique : la formule de Rankine (valide entre 5 et 140° C, avec approximation de 1 à 4%
Log pvs = 13,7 - 5120 / T
--Pour l’eau (loi empirique de Duperray) :
pv = (T / 100)4 (T en °C et validité entre 100 et 250°C, à 1 ou 4% près)
-saturation de vapeur (dans l'air)
C'est le pourcentage maxi de vapeur saturante par rapport à l'air sec qui la véhicule
Valeurs >>> à -10°C(8,2.10-3)--à 0°C(15,6.10-3)-- à 5°C(21,3.10-3)--
à 10°C(36,5.10-3)
-la courbe de pression de vapeur saturante en fonction de T (dans une BIPHASE liquide-vapeur)
C'est donc une courbe exponentielle, partant du point de température de liquéfaction et croissant jusqu’au point critique
-principe de la paroi froide (Watt): un liquide est en équilibre avec sa vapeur saturante si pv correspond à la plus basse température de l’enceinte
Valeurs pratiques de cette pression pvf (en Pa,à température ambiante):
Eau(2,3.103)--Toluène(2,9.103)--Acétone(2,4.104)--Ethanol(6.104)
TEMPERATURE
-le point de rosée Tr
est (à pression constante) la température où l'air humide devient saturé (la pression de vapeur d’eau devient la pression de vapeur saturante)
Son calcul pour l'air (dans les limites de températures usuelles de 0 à 60° C) est donné par la formule empirique de Magnus-Tetens
Tr = 237,7.K / (17,7 - K)
où K est une constante égale à (237,7)Ta / (17,7+ Ta) + Log ur
Ta(Celsius)= température ambiante séche (c'est à dire sans humidité et sans influence additive due aux radiations)
ur(nombre)= humidité relative
Exemples : les données sont en degrés centigrades
1.pour humidité relative ur de 10%, les points de rosée sont les suivants >>
pour Ta = -10°C(= -36°C)--pour Ta = 0°C(= -28°C)--pour Ta = 25°C(= -9°C)--
pour Ta = 50°C(= +10°C)--pour Ta = 75°C(= +28°C)--pour Ta = 100°C(= +46°C)
2.pour humidité relative ur de 40%, les points de rosée sont les suivants >>
pour Ta = -10°C(= -21°C)--pour Ta = 0°C(= -12°C)--pour Ta = 25°C(= +10°C)--
pour Ta = 50°C(= +33°C)--pour Ta = 75°C(= +55°C)--pour Ta = 100°C(= +76°C)
3.pour humidité relative ur de 70%, les points de rosée sont les suivants >>
pour Ta = -10°C(= -14°C)--pour Ta = 0°C(= -5°C)--pour Ta = 25°C(= +19°C)--
pour Ta = 50°C(= +43°C)--pour Ta = 75°C(= +67°C)--pour Ta = 100°C(= +90°C)
4.pour humidité relative ur de 100%, les points de rosée sont les suivants >>
pour Ta = -10°C(= -10°C)--pour Ta = 0°C(= 0°C)--pour Ta = 25°C(= +25°C)--
pour Ta = 50°C(= +50°C)--pour Ta = 75°C(= +75°C)--pour Ta = 100°C(= +100°C)
Nota 1 >> pour Ta< à 0° C cette condensation crée le givre
Nota 2 >> une chaudière de chauffage central présentant une température de point de rosée dans ses fumées, peut subir de l'oxydation de ses tuyauteries d'évacuation desdites fumées, car il y a condensation avec apparition de gouttes d'eau
Les points de rosée sont environ de 47°C pour chaudières au F.O.D, de 50°C pour des chaudières à G.P.L et de 55°C pour des chaudières à gaz
La valeur du point de rosée est fonction du combustible, de la pression atmosphérique (donc du conduit d'évacuation)
-à température d'ébullition (donc de vaporisation), on évoque la règle de Trouton:
le rapport C' = E* / T est constant au moment de la vaporisation (donc à la température d’ébullition T) où E*(J/mol) est l'énergie molaire
et C’(la capacité thermique molaire, qui vaut 21 J/K-mol pour les substances usuelles (mais 26 pour l'eau et 80 J/mol-K pour les liquides organiques)
ÉVAPORATION
C'est le terme utilisé pour une vaporisation lente, sous action de faible température.
Intervient donc le paramètre de vitesse:
v = M*.S.Δp / pa
où v(m/s)= vitesse d’évaporation d’un liquide
S(m²)= surface d’exposition
Δp(Pa)= différence(pression saturante du liquide- pression de vapeur d’eau) à même température
pa(Pa)= pression atmosphérique
M*(kg/s)= débit-masse du liquide
Nota : l'évaporation d'eau sur le globe terrestre est de l'ordre de 3 millimètres par jour
CALEFACTION
C'est le terme utilisé pour une vaporisation instantanée (par ex. des gouttes d'eau tombant sur un fer chaud et qui vaporisent en explosant)
CHALEUR MASSIQUE de VAPORISATION
C'est la quantité de chaleur enthalpique massique nécessaire pour vaporiser un kilogramme de liquide
q’ = Eq / m
où q’(J/kg)= chaleur enthalpique massique de vapo.
Eq(J)= quantité de chaleur correspondante (dite enthalpie de vaporisation) pour évaporer une masse m(kg)
Exemples (valeurs arrondies de chaleur enthalpique massique de vaporisation q’ en J/kg) :
à 0°C eau (2,533.103) et carburant usuel (103)
à 60°C eau (2,350.103) et carburant usuel (9.102)
à 200°C eau (1,93.103) et carburant usuel (4.102)