Vapeur d'eau

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.
Évolution des teneurs connues de quelques gaz de l'atmosphère terrestre (autrefois plus riche en vapeur d'eau, et plus acide (en raison de l'acide carbonique formé avec le CO2).
Pour rendre ces variations plus visibles, l'échelle temporelle n'est pas linéaire.

La vapeur d'eau est l'état gazeux de l'eau. C'est un gaz inodore et incolore.

À l'opposé, dans le langage commun, le terme vapeur d'eau peut servir à désigner le brouillard créé par la condensation d'eau à l'état gazeux sous forme de microgouttelettes. Ce qui est contradictoire avec la définition scientifiquement admise.

De manière plus générale, la vapeur humide ou vapeur saturante désigne la vapeur en équilibre avec le liquide dans une coexistence de phase[1].

Propriétés physiques

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 varie de 1 % à 6 % entre 100 °C et 280 °C[2] :

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)
LiquideVapeur
-150,191 8 
00,6110,001 000 21206,3102 500
100101,3250,001 043 51,6732 257
2001 555,00,001 156 50,127 181 938
3008 5920,001 403 60,021 621 403
37422 0870,002 790,003 65147

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

Chaleur massique à volume constant, 100 °C, 1 atm : 1 410 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 :

  • cuisson des aliments, notamment au moyen d’un autocuiseur ;
  • repassage : fer à vapeur, ou machine à repasser des pressings ;
  • nettoyage : nettoyeur à vapeur servant à l’entretien des sols et des murs d’un logement ;
  • la toilette : le hammam ou le sauna sont des bains de chaleur humide, généralement pris dans des établissements du même nom ;
  • En tapissage, décolleuse de papier peint à la vapeur.

La vapeur est également utilisée dans :

Gaz à effet de serre

Boucle d'images satellitaires montrant la variation de l'eau précipitable dans l'atmosphère terrestre selon le mois (sec à humide de jaune à blanc).

Présente en grande quantité dans l'atmosphère, la vapeur d'eau est le principal gaz à effet de serre. Celle-ci varie selon la latitude et le temps de l'année comme le montre la boucle à droite. L'eau précipitable maximale se retrouve dans la zone de convergence intertropicale (ZTIC) près de l'équateur et diminue en allant vers les pôles. Cependant, dans les latitudes moyennes, la succession des dépressions et des anticyclones font grandement varier ces valeurs.

On parle peu de la quantité de vapeur d'eau dans le cadre du réchauffement climatique car l'atmosphère étant déjà approvisionnée de façon naturelle en vapeur d'eau, on considère que son potentiel réchauffant (le forçage radiatif) maximal est déjà atteint à la température moyenne du globe actuelle. En revanche, le dioxyde de carbone, gaz à effet de serre le plus souvent cité, agit dans une gamme spectrale qui n'est pas recouverte en totalité par celle de la vapeur d'eau[réf. nécessaire]. Ces deux raisons résolvent la contradiction apparente entre le fait que la vapeur d'eau soit le principal gaz à effet de serre et que le dioxyde de carbone soit le principal responsable du réchauffement climatique.

Cependant, des effets anthropologiques, comme le trafic aérien, génèrent des nuages artificiels qui augmentent l'albédo localement ce qui influence le réchauffement[3],[4]. L'augmentation de la température par le dioxyde de carbone va aussi mener à une plus grande évaporation des océans. Une étude publiée en évalue les effets complexes du changement climatique sur les nuages, qui couvrent en moyenne 70 % de la planète : elle observe que les nuages d’altitude s’élèvent et que les systèmes nuageux se déplacent généralement vers les pôles ; ces deux tendances devraient accélérer le réchauffement de la planète ; les observations à courte échelle de temps suggèrent que les nuages tropicaux bloqueront moins de lumière solaire, accroissant ainsi le réchauffement, et que les nuages en dégel pourraient constituer un plus faible frein au réchauffement qu’on ne l’avait imaginé ; les effets amplificateurs de l'effet de serre l'emportent donc largement sur les effets le limitant[5].

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

Références

  1. H. Stöcker - F. Jundt - G. Guillaume. Toute la physique - Édition DUNOD - (ISBN 2100039423)
  2. Formules-physique, « Pression d'une vapeur », sur www.formules-physique.com (consulté le )
  3. (en) Gretchen Cook-Anderson, Chris Rink et Julia Cole, « Clouds Caused By Aircraft Exhaust May Warm The U.S. Climate », NASA (consulté le ).
  4. (en) Patrick Minnis, J. Kirk Ayers, Rabindra Palikonda et Dung Phan, « Contrails, Cirrus Trends, and Climate », Journal of Climate, Boston, États-Unis, American Meteorological Society, vol. 17, no 4,‎ , p. 1671–1685 (DOI 10.1175/1520-0442(2004)017<1671:CCTAC>2.0.CO;2, lire en ligne [PDF], consulté le ).
  5. Kate Marvel, « Les nuages, amplificateurs du réchauffement », Pour La Science, no 484,‎ , p. 50-56

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MYDAL2 M SKY WV.ogv
These maps show the average amount of water vapor in a column of atmosphere in a given month. The units are given in centimeters, which is the equivalent amount of water that could be produced if all the water vapor in the column were to condense. The lowest amounts of water vapor (0 centimeters) appear in yellow, and the highest amounts (6 centimeters) appear in dark blue. Areas of missing data appear in shades of gray. The maps are based on data collected by the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) sensor on NASA’s Aqua satellite. The most noticeable pattern in the time series is the influence of seasonal temperature changes and incoming sunlight on water vapor. In the tropics, a band of extremely humid air wobbles north and south of the equator as the seasons change. This band of humidity is part of the Intertropical Convergence Zone, where the easterly trade winds from each hemisphere converge and produce near-daily thunderstorms and clouds. Farther from the equator, water vapor concentrations are high in the hemisphere experiencing summer and low in the one experiencing winter. Another pattern that shows up in the time series is that water vapor amounts over land areas decrease more in winter months than adjacent ocean areas do. This is largely because air temperatures over land drop more in the winter than temperatures over the ocean. Water vapor condenses more rapidly in colder air.
Courbe d'ébullition de la vapeur d'eau.svg
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Courbe
ADN static h.png
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Hélice d'ADN
Atmosphère évolution.jpg
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Variations dans le temps du la vapeur d'eau, du CO2 (deux gaz à effet de serre) et de l'oxygène, produit par les algues, bactéries photosynthétiques et plantes(qui ont permis d'importants puits de carbone et la production de la couche d'Ozone protectrice). D'après les données réunies par le Journal pour la Science pour un dossier sur l'atmosphère publié en 1996