notions de physique des gaz et thermodynamique

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gaz parfaits

Un gaz parfait satisfait la loi de Mariotte (dans une transformation isotherme, le produit du volume par la pression est une constante), et la loi de Gay Lussac (dans un volume constant, la pression d’un gaz parfait est proportionnelle à la température absolue).

loi de mariotte

formule : Notions de physique des gaz et de thermodynamique - Loi mariotte

loi de gay‑lussac

formule : Notions de physique des gaz et de thermodynamique - Loi de Gay-Lussac

lois de dalton

Elle régit le mélange de gaz parfaits : « la pression, l’énergie interne, l’enthalpie et l’entropie d’un mélange de gaz parfaits sont respectivement égales à la somme des pressions partielles, énergies internes partielles, enthalpies partielles et entropies partielles qu’auraient les gaz constituants s’ils occupaient seuls le volume total à la température du mélange », soit :

formule : Notions de physique des gaz et de thermodynamique - Lois de Dalton

loi d’avogadro‑ampère

formule : Notions de physique des gaz et de thermodynamique -Loi d’Avogadro-Ampère

relation qui lie la masse molaire M d’un gaz en g·mol–1 à sa densité d par rapport à l’air dans les conditions normales de pression et de température.

chaleur massique

La chaleur massique est par définition le quotient de la capacité thermique par la masse, la capacité ther­mique étant la quantité de chaleur dQ qu’il faut fournir à un système pour provoquer une augmentation de température de 1 °C.

Pour un gaz, on distingue la chaleur spécifique à pression constante cp la chaleur spécifique à volume constant cv.

Chaleurs spécifiques cp, à pression constante de quelques gaz en kJ/kg·°C à 0 °C et sous 760 mm de mer­cure (tableau 85) :

Chaleur massiqueImage sécurisée
Tableau 85. Chaleur massique
formule : Notions de physique des gaz et de thermodynamique - Chaleur massique

vapeur d’eau

vapeur saturante ou saturée

Vapeur en présence de la phase liquide génératrice ; elle est dite sèche si elle ne contient aucune goutte­lette d’eau.

Enthalpie d’une vapeur : c’est la quantité totale de chaleur nécessaire pour transformer 1 kg d’eau prise à 0 °C en vapeur saturée à la température t °C. Elle est la somme de la chaleur d’échauffement de l’eau de 0 à t °C (enthalpie de l’eau) et de la chaleur de vaporisation à t °C correspondant à l’énergie nécessaire qu’il faut fournir pour transformer à t °C 1 kg d’eau en 1 kg de vapeur.

On peut, en première approximation et pour les températures comprises entre 30 et 190 °C, utiliser la for­mule de Regnault qui donne l’enthalpie en fonction de la température en °C :

  • en kJ · kg–1 2 538 + 1,276 t ;
  • en kcal · kg–1 606,5 + 0,305 t.

vapeur humide

Vapeur contenant des gouttelettes d’eau, caractérisée par son titre x : masse de vapeur en kg contenue dans 1 kg du mélange.

vapeur surchauffée

Vapeur dont la température est supérieure à celle de la vapeur saturante à la pression considérée. En pre­mière approximation elle se comporte comme un gaz parfait.

L’enthalpie d’une vapeur surchauffée peut être calculée par la formule :

  • en kJ · kg–1 2 538 + 1,276 t + cp (t – t1) ;
  • en kcal · kg–1 606,5 + 0,305 t + cp (t – t1).

t – t1 étant l’écart de température entre la vapeur saturée et la vapeur surchauffée à pression constante. En première approximation on peut prendre cp = 2,1 kJ · kg–1. Cette formule permet en particulier d’estimer l’enthalpie de l’eau évaporée dans un four d’incinération d’où les gaz sortent à la température t, t1 étant dans ce cas égal à 100 °C.

diagramme de la vapeur d’eau

Masse volumique vapeur eau température - pressionImage sécurisée
Figure 51. Masse volumique de la vapeur d’eau en fonction de la température et de la pression (extrait de la norme Française NF X.10.101)
Température ébullition eau sous videImage sécurisée
Figure 52. Température d’ébullition de l’eau sous vide
pourcentage eau vaporisée détente adiabatiqueImage sécurisée
Figure 53. Pourcentage d’eau vaporisée par la suite de détente adiabatique de la vapeur saturante à la pression atmosphérique

gaz humides

définitions

température sèche

Température d’un gaz humide non saturé mesurée par un thermomètre sec (température au sens habi­tuel).

température humide

Température d’un gaz humide qui se sature au contact d’une nappe liquide.

point de rosée ou température de rosée

Température à laquelle la vapeur contenue dans le gaz commence à se condenser par refroidissement à une température donnée.

pression de vapeur saturante

Pression partielle de vapeur dans le gaz au point de rosée.

humidité relative

Rapport de la pression partielle de vapeur d’eau dans le gaz à la pression de vapeur saturante correspon­dant à la température sèche de ce gaz. Elle s’exprime généralement en %.

teneur en vapeur d’eau d’un gaz (m)

aussi dénommée « humidité spécifique ou absolue ». Si P est la pression totale du gaz de masse molaire M et pv la pression partielle de vapeur, la teneur m en eau d’un gaz en kg · kg–1 de gaz sec est donnée par :

formule : Teneur en vapeur d’eau d’un gaz m - cas de l'air

Ainsi, pour un air saturé d’humidité à 20 °C sous pression atmosphérique normale P = 1,013 bar ; pv = 0,023 bar ; m = 0,0147 kg · kg–1.

enthalpie d’un gaz humide

Les chaleurs de mélange pouvant être considérées comme négligeables, l’enthalpie d’un gaz humide est égale à la somme des enthalpies du gaz sec et de la vapeur.

Pour l’air, l’enthalpie est donnée par les formules suivantes :

formule : Teneur en vapeur d’eau d’un gaz m -  enthalpie d'un gaz humide

La figure 39 du chapitre les types de traitement des fumées donne les valeurs de l’enthalpie de l’air humide en fonction de sa température et de sa teneur en eau.