4.3.3 Le fluide « eau »

Comme tous les liquides, l’eau se dilate. Alors que d’autres se dilatent de plus en plus à partir de leur point de fusion à chaque augmentation de température d’1 K, l’eau se contracte de 0 à 4°C (l’anomalie de l’eau) et ce n’est seulement après qu’elle commence à se comporter de manière standard, c’est-à-dire à se dilater.

Changement du volume de l’eau en fonction de la température

Ce tableau indique aussi le niveau de dilatation de l’eau dans une installation de chauffage central. Supposons que la chaudière, les canalisations et les radiateurs contiennent 1000 l d’eau à 20°C. Supposons aussi que ce système fonctionne souvent en hiver avec de l’eau à 70°C.

Cela signifie qu’il y a une augmentation de volume de 21 litres.

Ces 21 litres doivent être recueillis quelque part ou le système éclatera. A cet effet, chaque installation de chauffage central à eau chaude a un réservoir de dilatation.

Comme l’eau se dilate aussi fortement, elle devient proportionnellement plus légère car sa densité r (rho) [kg/m3] change.

Physique : (densité de la masse, masse spécifique), symbole r (rho), quotient de la masse et du volume d’un corps. Outre la matière du corps, la densité dépend aussi de la pression et de la température (particulièrement pour les gaz et les liquides).
L’unité SI de la densité est kg/m3

Densité de certains solides et liquides en kg/m³ à 20ºC

Exemple : A 20°C, 1000 l d’eau pèse environ 1000 kg et à 90°C = environ 965 kg.

La flottabilité change avec la densité, de sorte qu’une matière moins dense flotte au-dessus de la matière la plus dense. Ainsi, l’eau chauffée se déplace toujours vers le haut et se place en couche sur l’eau plus froide.

Cette disposition en couches se remarque très fort, par exemple, lorsqu’on nage dans un lac ou un océan.

fig. 4-8 Couches de températures dans une chaudière d’eau chaude

Dans des installations de chauffage, ce phénomène d’élévation de l’eau chauffée est utilisé pour le chauffage par gravitation.

Dans chaque chaudière, l’eau chauffée (et dilatée) se déplace si vite vers le haut qu’elle ne cède qu’une fraction de sa chaleur à l’eau froide environnante (fig. 4-8). De cette façon, l’eau chaude s’accumule au dessus et est prélevée là. L’eau froide entre par le bas. La disposition en couches de la température est tellement stable que même les remous créés par l’entrée de l’eau froide l’affectent à peine.

La tendance de l’eau chaude à se disposer en couches au-dessus de l’eau froide nous cause aussi des difficultés : dans les piscines couvertes par exemple, il ne suffit pas d’alimenter en eau chaude par le haut ou par le bas, cela provoquerait une stratification de la température. Une telle stratification ne serait éliminée que très lentement par les mouvements des nageurs. De plus, il est très difficile de mesurer la température effective de l’eau d’un bassin présentant une stratification de la température. Afin d’éviter ce problème, on injecte, dans des installations confortables, de l’eau filtrée et chauffée à plusieurs endroits du fond du bassin.

La tendance de l’eau chaude à former une couche au-dessus de l’eau plus froide est si forte qu’une telle stratification demeure dans des canalisations sur de longues distances (Fig 4-9). Nous devons en tenir compte lors de l’installation de sondes de température ou de régulateurs dans des canalisations.

fig. 4-9 Stratification de la température dans un écoulement d’eau à l’intérieur d’une canalisation

Nous avons appris que la chaleur est l’oscillation des atomes ou des molécules. La chaleur est une forme d’énergie et la température d’une matière est la mesure du niveau d’oscillation de ces petits blocs de construction. Nous avons aussi vu qu’avec une augmentation du mouvement oscillatoire (= température) la structure de la matière se détend, qu’elle se dilate et finalement les solides se transforment en liquides et les liquides en gaz.

Le comportement de l’eau est très important pour nous : il est aussi particulier en cas de gel. Alors que les autres liquides se contractent quand ils se solidifient, l’eau se dilate d’un onzième de son volume (Fig. 4-10). C’est pourquoi la glace peut rompre avec une force extraordinaire des rochers, des routes et des façades de maison ainsi que des canalisations, des radiateurs, etc.

fig. 4-10 Augmentation du volume de l’eau en cas de gel

Dans les installations de chauffage, le gel provoque le plus souvent des dégâts dans des systèmes inutilisés et non vidangés ou si le chauffage est excessivement réduit la nuit en hiver.  Dans les systèmes de ventilation et de climatisation, par contre, il est normal qu’en hiver l’air extérieur de moins de –10°C soit soufflé par les réchauffeurs d’air chauffés avec de l’eau chaude. C’est notre responsabilité de garantir une fonction sûre de protection antigel par une surveillance fiable de la température, parce que si, dans de telles conditions glaciales, l’apport en eau chaude s’arrête même pour quelques minutes, il peut en résulter des dégâts coûteux causés par le gel.

Nous souhaitons maintenant étudier d’un peu plus près l’état de l’eau. Comme nous le savons, l’eau s’évapore. Et cela est dû au mouvement des molécules : contrairement aux solides, les molécules d’eau n’oscillent pas autour d’un point fixe. C’est pourquoi ces molécules qui se trouvent à la surface de l’eau peuvent aisément s’échapper. Certaines « replongeront » dans l’eau, alors que d’autres resteront dans l’air sous forme de vapeur d’eau invisible. Et chaque particule qui s’échappe et est emmenée par le vent emporte sa chaleur d’évaporation. Quand ce processus se produit sur notre peau, nous ressentons clairement la perte de chaleur due à cette évaporation comme un refroidissement.

Prenons un récipient à moitié rempli d’eau et recouvrons-le (Fig 4-11). A cause du couvercle, l’air ne peut plus emporter les molécules d’eau évaporées. Un mélange de vapeur d’eau et d’air se forme donc à la surface de l’eau, alors que de plus en plus de molécules d’eau s’évaporent. Dans un récipient fermé, ce processus ne continue pas à l’infini, mais il s’arrête automatiquement dès que la pression de la vapeur d’eau pèse si fortement sur la surface de l’eau que l’énergie cinétique des particules ne suffit plus pour la percer. A ce stade, l’air est dit saturé de vapeur d’eau.

fig. 4-11 Équilibre par saturation dans un récipient fermé.

Si nous augmentons la température de l’eau, l’énergie cinétique des molécules d’eau s’accroît et elles peuvent ainsi à nouveau traverser la surface de l’eau, jusqu’à ce que les forces en présence se rééquilibrent. Plus nous augmentons la température, plus la teneur en vapeur d’eau dans le mélange vapeur-air est importante.

Si nous chauffons fortement l’eau, des bulles de vapeur chaude apparaissent soudainement dans l’eau. L’eau bout. A ce stade, la formation de vapeur ne se limite plus à la surface de l’eau, elle se forme aussi à l’intérieur de l’eau. Si l’on maintient l’eau à sa température d’ébullition, elle se transforme totalement en vapeur d’eau. Si l’espace libre dans la casserole est insuffisant, la vapeur s’échappe par le bord du couvercle (fig. 4-12).

fig. 4-12 A pression constante, la vapeur a besoin d’un volume plus grand que l’eau

A la pression atmosphérique normale, l’eau bout à 100°C. Qu’entend-on par « pression atmosphérique normale » ?

La définition est la suivante : il y a une pression atmosphérique normale si le poids de l’air au niveau de la mer s’élève à 101325 N/m² (ou 101.3 kPa = 1.013 bar). Ainsi une colonne d’air d’1m² de section s’élevant dans l’espace a ce poids.

La phrase « A la pression atmosphérique normale, l’eau bout à 100°C » signifie apparemment que la température d’ébullition dépend de la pression exercée sur l’eau. Autrement dit, plus la pression exercée sur l’eau est élevée, plus le niveau requis d’oscillation des molécules d’eau est élevé, c’est-à-dire plus la température nécessaire pour que la structure de la matière se dissolve et que l’eau liquide se transforme en vapeur est élevée.

Nous pouvons alors en déduire que pour une pression supérieure à la pression atmosphérique normale, le point d’ébullition est plus élevé. C’est en effet le cas : à 1.5 bar (surpression de 0.5 bar), par ex. dans une cocotte-minute, l’eau bout à environ 110°C (fig. 4-13).

Fig. 4-13 Pression atmosphérique et point d’ébullition de l’eau selon la hauteur au-dessus du niveau de la mer

Le point d’ébullition de l’eau, c’est-à-dire, la température à laquelle l’eau passe de l’état liquide à l’état gazeux, dépend de la pression.

fig. 4-14 Diagramme température-pression pour la vapeur saturée

Les installations de chauffage urbain connaissent souvent des températures d’eau > 100°C. Cela signifie qu’il doit y avoir une pression supérieure à 1 bar dans les canalisations pour empêcher l’eau de bouillir.

Nous souhaitons maintenant étudier la quantité d’énergie nécessaire pour transformer de la glace en eau et ensuite en vapeur. La relation est montrée dans le diagramme température-enthalpie (Fig. 4-15).

Pour chauffer un litre d’eau de 0°C à 100°C, nous avons besoin de 419kJ.
Nous constatons que la température ne reste pas constante pendant ce processus. Une chaleur perceptible (sensible) est transmise.

A 100°C commence la formation spontanée de vapeur. Si nous arrêtons maintenant d’ajouter de la chaleur, la température de l’eau diminuerait immédiatement, l’évaporation interne cesserait, interrompant la production de vapeur. Afin de transformer entièrement un litre d’eau en vapeur, nous devrions ajouter de la chaleur jusqu’à ce qu’il n’y ait plus d’eau. Pour cela, nous avons besoin de 2257 kJ supplémentaires, c’est-à-dire plus de 5 fois la quantité de chaleur requise pour chauffer de l’eau de 0°C à 100°C.

Nous constatons que la température reste constante à 100°C pendant ce processus. Ainsi, aucune chaleur perceptible (latente) n’est produite, mais l’eau se transforme de l’état liquide à l’état gazeux.

Fig. 4-15 Diagramme température/enthalpie pour l’eau à une pression atmosphérique de 1013 mbar

Puisque, en théorie, aucune énergie ne se perd, un kilogramme de vapeur de 100°C contient une énergie thermique équivalente à 419 + 2257 kJ = 2676 kJ. On dit donc que cette vapeur a un contenu de chaleur (enthalpie) de 2676 kJ/kg.

Afin de transformer un kilogramme de glace de 0°C en un litre d’eau de 0°C, nous avons besoin de 335 kJ. Nous constatons aussi que la température reste constante pendant cette transformation. Aucune chaleur perceptible n’est produite, mais l’eau se transforme de l’état solide à l’état liquide.

Le changement d’état de l’eau peut être schématisé de plusieurs façons. La Fig. 4-15 montre la température en fonction de l’apport de chaleur à pression constante. On peut clairement y localiser les zones de transmission de chaleur perceptible et latente. La teneur en chaleur de l’eau, c’est-à-dire, son enthalpie, augmente par l’apport de chaleur.

Les diagrammes pression-température ou pression-enthalpie, ainsi que le tableau eau/vapeur sont d’autres manières de représenter ces relations (voir annexe).

Quand on apporte de la chaleur à une matière (par exemple, à l’aide d’un brûleur ou d’un élément de chauffage électrique) apparaît alors la chaleur sensible. Cette chaleur est détectable à l’aide d’un thermomètre.

La chaleur latente est la chaleur ajoutée à une matière pour provoquer son changement d’état complet. Il n’y a aucune variation de température pendant ces transformations.

L’enthalpie est la somme de la chaleur sensible et latente. Lors de processus ayant des variations de pression et de volume considérables (ex. compression), s’ajoute la capacité de travail mécanique (énergie potentielle) du fluide (unité de mesure [kJ/kg]).

Excepté le comportement curieux de l’eau entre 0°C et 4°C, et le fait que chaque liquide ait son propre coefficient de dilatation, tout ce que avons dit au sujet de l’eau vaut aussi pour les autres liquides.