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3.3 Humidité de l’air et pression de vapeur, condensation

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L’eau sous forme de vapeur se trouve en petites quantités dans l’air aux températures habituelles (et même en-dessous de 0 °C!) et détermine par là ce que l’on dénomme l’humidité de l’air. Avec les composés principaux – azote, oxygène, gaz rares et dioxyde de carbone – la vapeur d’eau forme le mélange gazeux de notre air ambiant. La pression atmosphérique de l’air, qui représente la pression totale du mélange gazeux, se compose de l’ensemble des pressions partielles de chaque composant de l’air (→ pression partielle).

A l’aide de l’équation des gaz parfaits appliquée à la vapeur d’eau, on peut calculer l’humidité absolue υ de l’air, c’est-à-dire la quantité de vapeur d’eau contenue dans chaque m3 d’air ce qui est identique à la masse volumique de la vapeur d’eau:

(3.1)

Il existe une limite supérieure pour la quantité de vapeur qui peut être admise dans l’air: l’humidité absolue de saturation ρsat en g · m–3 ou en kg · m–3. Si cette limite est dépassée, la vapeur en excès est évacuée sous forme d’eau. Ce processus s’appelle condensation (brouillard, nuages à l’air libre, gouttes de rosée, précipitations sur les surfaces solides).

L’humidité absolue de saturation ρsat et la pression de saturation psat correspondante dépendent fortement de la température – l’air chaud peut admettre plus d’eau que l’air froid (voir Fig. 3.5)

Si à une température déterminée le contenu en eau de l’air est inférieur à l’humidité absolue de saturation ρsat correspondante, alors l’humidité relative φa indique le pourcentage de vapeur d’eau – rapporté au maximum possible – contenu dans l’air:

Evolutions de la pression de saturation et de l'humidité absolue de saturation en fonction de la température, formules approchées pour la pression de saturation dans les domaines –20 °C à 0 °C et 0 °C à environ 50 °C
Fig. 3.5: Evolutions de la pression de saturation et de l’humidité absolue de saturation en fonction de la température, formules approchées pour la pression de saturation dans les domaines –20 °C à 0 °C et 0 °C à environ 50 °C
(3.2)

ou à l’aide de l’équation:

(3.3)

Des valeurs usuelles pour l’humidité relative φa (climat intérieur et extérieur) sont indiquées au tableau 3.4.

A l’aide de l’équation des gaz parfaits, on peut aussi déterminer la masse volumique de l’air sec:

(3.4)

Tab. 3.4: Valeurs indicatives pour l’humidité à l’intérieur et à l’extérieur

La masse volumique de l’air humide s’obtient de la façon suivante:

(3.5)

Si de l’air humide est refroidi, son humidité relative augmente. L’humidité absolue reste constante alors que l’humidité absolue de saturation diminue. Quand la saturation est atteinte, l’eau en excès est évacuée. La « température limite » à laquelle l’air devient saturé et où l’eau commence à être évacuée est dénommée température du point de rosée. Attention: la température du point de rosée n’est généralement pas identique au point de congélation de l’eau, c’est-à-dire la température à laquelle l’eau commence à geler!

Sur la figure 3.6 de l’air ambiant (25 °C, φa ≈ 60 %) est refroidi jusqu’à 10 °C. A 16,7 °C la pression partielle pv coïncide avac la pression de saturation → température du point de rosée T.

Pour une description détaillée des grandeurs caractéristiques de l’état de l’air humide et pour une représentation claire des variations d’états, on se sert du diagramme h,x de Mollier (voir annexe 9.10). Il représente, dans un système de coordonnées obliques, la teneur en vapeur d’eau x en g · (kg d’air sec)–1 sur l’abscisse et l’enthalpie spécifique h en kJ · (1 + x) · kg–1 sur des ordonnées inclinées d’environ 45° vers le bas. Pour faciliter la lecture, les valeurs x ainsi que les pressions partielles correspondantes sont représentées sur des axes horizontaux. La courbe de saturation (φ = 100 %) sépare les états non saturés (φ < 100 %, au-dessus de la courbe) du domaine de l’air sursaturé (brouillard, sous la courbe), pour une pression atmosphérique d’environ 950 mbar. Dans le domaine non saturé, les isothermes (lignes à température constante) apparaissent comme des droites légèrement montantes. En outre, les courbes à humidité relative φ constante et à masse volumique ρ (kg du mélange) · m–3 constante du mélange air-humidité sont représentées. Sur le diagramme h,x on notera que la teneur en vapeur d’eau x est donnée par 1 kg d’air sec et que l’enthalpie spécifique de l’air sec à 0 °C ou 273,16 K a été arbitrairement fixée à zéro.

Refroidissement d'un air humide
Fig. 3.6: Refroidissement d’un air humide (25 °C, HR = 60 %) jusqu’au point de saturation (≙ point de rosée (16,7 °C)); condensation de la vapeur d’eau quand le refoidissement se poursuit jusqu’à 10 °C

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