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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. Elle dépend de la température. Certains utilisent le terme " pression de vapeur ", mais celui-ci est ambigu car il évoque la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) partielle de la vapeur ().

La 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. Elle dépend de la température. Certains utilisent le...) est la pression partielle de la vapeur d'un corps pur (En chimie, un corps pur est composé d'un seul type de constituant (contraire : mélange). Il existe plusieurs types de corps purs.) à partir de laquelle une partie du corps pur passe sous forme liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) ou solide. On dit aussi que c'est la pression maximale de sa vapeur " sèche " (c'est-à-dire sans phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) liquide).

Quand la pression partielle de la vapeur est égale à la pression de vapeur (La pression de vapeur est la pression partielle de la vapeur d'un corps présent également sous forme liquide ou solide.) saturante d'une substance, les phases gazeuse,liquide ou solide sont en équilibre.

Si la pression partielle de la vapeur dépasse la pression de vapeur saturante, il y a donc liquéfaction (La liquéfaction est un changement d'état de gazeux à liquide, le contraire de l'évaporation, la vaporisation ou de l'ébullition. On parle parfois de condensation liquide.) ou condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou liquide). On peut expérimenter ce changement d'état en passant...). À partir d'une situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non....) d'équilibre, cela peut se faire en augmentant la pression partielle de vapeur (par exemple en diminuant le volume), ou bien en diminuant la pression de vapeur saturante, c'est-à-dire en diminuant la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante,...).

Historique

Au XIXe siècle, John Dalton étudia le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de vapeur d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) qui était nécessaire pour saturer l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des...). Il remarqua que ce volume dépendait beaucoup de la température.

Cas de corps pur liquides

Lorsqu'à l'équilibre on a un corps pur sous forme liquide avec un " ciel " gazeux (atmosphère au-dessus du liquide) fait du même corps pur, une partie de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) est composée du corps pur sous forme gazeuse ; la contribution à la pression de cette fraction (ou pression partielle du corps pur gazeux) est la pression de vapeur saturante. Si alors la pression passe en dessous de la pression de vapeur saturante (par une détente, ou alors en augmentant la pression de vapeur saturante, c'est-à-dire en chauffant), le liquide passe violemment sous forme gazeuse : c'est la vaporisation, ou ébullition (L’ébullition est la formation de bulles lors d’un changement violent d’un corps de l’état liquide vers l’état vapeur. Ce phénomène est une vaporisation.).

Si cette vapeur est mélangée avec d'autres gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de...), on considère que la pression partielle saturante de vapeur est la même que la pression d'équilibre de la vapeur seule. On peut avoir le cas où la pression de vapeur saturante est supérieure à la pression partielle du gaz, mais inférieure à la pression totale : le liquide passe alors lentement sous forme gazeuse, c'est l'évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement d'état appelé vaporisation.). Il n'y a ébullition (vaporisation) que si la pression de vapeur saturante est supérieure à la pression totale.

Ainsi, pour une pression donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction,...), le point (Graphie) d'ébullition d'une substance est la température à laquelle la pression de vapeur saturante de cette substance est égale à la pression ambiante totale.

À partir d'une situation d'équilibre psat(T) = pvap  :

  • modification de la température ambiante :
    • en dessous de cette température, la vapeur se liquéfie ;
    • au-dessus de cette température, le liquide s'évapore, et au dessus du point de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de...), il se vaporise (il bout).
  • modification de la pression ambiante :
    • au-dessus de cette pression, la vapeur se liquéfie en liquide ;
    • en dessous de cette pression, le liquide s'évapore, et pour les très basses pressions, il se vaporise (il bout) ; la pression limite d'ébullition est celle pour laquelle le point d'ébullition est la température actuelle.

En résumé :

  • psat(T) > pamb : ébullition, vaporisation
  • pamb > psat(T) > pvap : évaporation
  • psat(T) = pvap : équilibre
  • pvap > psat(T) : liquéfaction

psat(T) est la pression de vapeur saturante, pvap est la pression de vapeur (pression partielle de la vapeur) et pamb est la pression ambiante.

Par exemple, une flaque d'eau s'évapore au Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée...) (la pression de vapeur saturante de l'eau est supérieure à la pression partielle de la vapeur mais inférieure à la pression atmosphérique). Lorsque l'on porte une casserole d'eau à 100 °C sous une atmosphère, l'eau bout (la pression de vapeur saturante excède la pression atmosphérique). Dans une bouteille (Sur les anciens navires à voiles, on appelait les bouteilles deux petits compartiments, un de chaque côté du tableau arrière servant de toilettes aux officiers du bord.) de gaz liquéfié (type propane ou butane), le gaz bout à froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) dans la bouteille au fur-et-à-mesure que l'on soutire du gaz (au cours du soutirage, la pression totale devient inférieure à la pression de vapeur saturante).

Mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les...) de corps purs

La loi de Raoult régit approximativement la pression de vapeur saturante de mélanges de liquides.

Dans une enceinte de taille raisonnable de type bouteille ou réservoir de gaz, un mélange de gaz peut être considéré comme homogène : l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) d'agitation (L’agitation a comme principale fonction d’accélérer les transferts de grandeurs extensives au sein d'un fluide homogène ou d’une dispersion hétérogène au moyen d'un agitateur. Cela veut dire que l’agitation conduit et...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes physiques, en...) est supérieure à la différence d'énergie potentielle de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), la stratification est négligeable. Ainsi, la composition du mélange est quasiment constante du début à la fin du tirage. Il peut par contre se produire une condensation sélective qui fait varier la composition du mélange (un des gaz se condense alors que l'autre reste sous forme gazeuse, ou lorsque les deux gaz sont liquéfiés la composition du liquide diffère de celle du gaz). Ainsi, les bouteilles de mélange ont une consigne de température de stockage pour assurer que la composition du gaz est bien la composition nominale.

Décompression explosive

Dans le cas d'une corps contenu dans une enceinte étanche, il peut se produire une ébullition-explosion (ou bleve) par rupture de l'enceinte lorsque :

  • dans les conditions de température et de pression extérieure, le corps est sous forme gazeuse ;
  • la pression est plus élevée dans l'enceinte, ce qui maintient une partie du corps sous forme liquide.

Cas d'un corps pur solide

La pression de vapeur saturante de la plupart des solides est en général très faible pour des températures " raisonnables ". Par exemple, la pression de vapeur saturante du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le fer...) à 20 °C est tellement faible qu'il est improbable d'avoir un seul atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) de fer dans une pièce bien que l'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la...) présent soit à l'équilibre avec sa vapeur (on entre là dans des considérations quantiques de probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un...) de présence).

Par ailleurs, la cohésion des atomes d'un solide fait qu'il est impensable d'avoir un phénomène d'ébullition. Toutefois, il peut se former des pores dans le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), et à l'intérieur de cette porosité, une partie solide passe sous forme gazeuse (avec la même précaution que ci-dessus). Cependant, ceci n'est pas lié à la pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.) comme pour les liquides (sauf pour des pressions extrêmes), mais plutôt aux propriétés du matériau, comme la présence de défauts ponctuels dans un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie, tout solide...) (lacunes) et la tension superficielle (La tension superficielle, ou énergie d'interface, ou énergie de surface, est la tension qui existe à la surface de séparation de deux milieux.).

À partir d'une situation d'équilibre psat(T) = pvap

  • modification de la température ambiante :
    • en dessous de cette température, la vapeur se condense en solide ;
    • au-dessus de cette température, le solide se sublime, c'est-à-dire qu'il se transforme directement de solide en vapeur sans passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) par une phase liquide ;
  • modification de la pression ambiante :
    • au-dessus de cette pression, la vapeur se condense en solide ;
    • en dessous de cette pression, le solide se sublime.

Ainsi, pour une pression donnée, le point de sublimation d'une substance est la température à laquelle la pression de vapeur de cette substance est égale à la pression ambiante.

On n'a donc que trois cas :

  • psat(T) > pvap : sublimation
  • psat(T) = pvap : équilibre
  • pvap > psat(T) : condensation

Pression de vapeur saturante et autres changements de phase

La pression de vapeur saturante d'une substance en phase liquide peut être — et est généralement — différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application...) de la pression de vapeur de cette même substance en phase solide. Si la température est telle que la pression de vapeur du liquide est supérieure à celle du solide, le liquide se vaporisera mais la vapeur se condensera en un solide, c'est-à-dire que le liquide gèlera. Si la température est telle que la pression de vapeur du liquide est inférieure à celle du solide, le solide se vaporisera mais la vapeur se condensera en un liquide, c'est-à-dire que le solide fondra.

À la température à laquelle les deux pressions de vapeur sont égales, il existe un équilibre entre les phases solides et liquides. Cette température est mentionnée comme le point de fusion.

Calcul de la pression de vapeur saturante

Le calcul approximatif de la pression de vapeur saturante peut se faire à l'aide d'une formule issue de l'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste...) de Clapeyron, en prenant comme hypothèses — entre autres — que la vapeur se comporte comme un gaz parfait (Le gaz parfait est un modèle thermodynamique décrivant le comportement de tous les gaz réels à basse pression p.) et que l'enthalpie (L'enthalpie (du préfixe en- et du grec thalpein: chauffer) est une fonction d'état de la thermodynamique, dont la variation permet d'exprimer la quantité de chaleur mise en jeu pendant la transformation isobare d'un système...) de vaporisation ne varie pas avec la température dans la plage (La Plage est un film anglo-américain réalisé par Danny Boyle en 2000 et adapté du roman The Beach d'Alex Garland) considérée.

\ln \frac{p_{sat}}{p_0} = \frac{M.L_v}{R}(\frac{1}{T_0}-\frac{1}{T})

avec :

  • T0 : température d'ébullition de la substance à une pression p0 donnée, en K
  • psat : pression de vapeur saturante, dans la même unité que p0
  • M  : masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du...) molaire de la substance, en kg/mol
  • Lv : chaleur latente (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, 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...) de vaporisation de la substance, en J/kg
  • R  : constante des gaz parfaits, égale à 8,31447 J/K/mol
  • T  : température de la vapeur, en K

Pour l'eau, par exemple :

  • M = 0,018 kg/mol
  • Lv = 2,26×106 J/kg
  • p0 = 1013 mbar
  • T0 = 373 K

Pression de vapeur saturante de l'eau dans l'air

Dans le cas de l'eau dans l'air, les manifestations de ce phénomène sont nombreuses : apparition de " vapeur " (en réalité des petites gouttelettes d'eau) au-dessus d'une casserole d'eau chaude, formation de buée, de rosée, de givre (Le givre est un dépôt de micro-gouttelettes d'eau surfondue (= en surfusion) sur une surface lorsque la température est sous le point de congélation...), de brouillard (Le brouillard est le phénomène météorologique constitué d’un amas de fines gouttelettes ou de fins cristaux de glace, accompagné de fines particules hygroscopiques...), de bruine ou de nuages.

La pression de vapeur saturante de l'air humide représente la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) maximale de vapeur d'eau que l'air peut contenir. Elle augmente avec la température. On parle souvent du taux d'humidité relative de l'air : il s'agit du rapport entre la pression partielle de vapeur et la pression de vapeur saturante. Ce taux est exprimé en pourcentage (Un pourcentage est une façon d'exprimer une proportion ou une fraction dans un ensemble. Une expression comme « 45 % » (lue « 45 pour cent ») est en réalité la sténographie...).

{\rm humidit\acute{e} \ relative} = \frac{p_{vap}}{p_{sat}(T)} \times 100 \%
Température
(°C)
Pression
(mbar)
-60 0,001
-40 0,13
-20 1,03
-10 2,6
0 6,10
5 8,72
10 12,3
15 17,0
20 23,4
25 31,7
30 42,4
40 73,8
50 123
60 199
100 1013

La formule de Rankine reprend la précédente avec des coefficients légèrement différents (écart de 0,39 à 4,1 % sur la plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de matériaux d'une taille allant des sables fins aux blocs ». La plage ne se limite donc pas...) de 5 à 140 °C par rapport aux tables thermodynamiques) :

\ln p_{sat} = 13,7-\frac{5120}{T}

avec :

  • psat : pression de vapeur saturante de l'eau, en atmosphère
  • T  : température absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à l’éthanol à température ambiante ou plus...), en K

Pour des températures plus élevées, on pourra utiliser la formule de Duperray (La formule de Duperray est une formule empirique permettant de calculer la pression de vapeur saturante de l'eau en fonction de la température. Cette formule est :) (écart de 0,12 à 7,7% sur la plage de 90 à 300 °C) :

p_{sat} = (\frac{t}{100})^4

avec :

  • psat : pression de vapeur saturante de l'eau, en atmosphère
  • t  : température, en °C

Il existe d'autres modèles comme formule de Dupré (La formule de Dupré est une formule empirique permettant de calculer la pression de vapeur saturante en fonction de la température. Cette formule est :).

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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