Humidité & température

Les éléments sensibles d’humidité de Rotronic peuvent être endommagés par certains gaz et polluants. Ces corps peuvent être répartis en deux catégories: gaz sans influence et gaz avec une influence sur les éléments sensibles.

Une indication de la durée maximale d’exposition admissible est nécessaire pour les polluants qui ont une influence sur les éléments sensibles et donc également sur le résultat des mesures (voir tableau ci-dessous).

Polluants avec influence

L’humidité est définie comme la teneur de vapeur d’eau dans l’air (ou un autre gaz). Le terme «humidité» est un terme général qui désigne la quantité de vapeur d’eau.

Le terme «humidité» est souvent synonyme d’«humidité relative», en relation avec des mesures précises, une différence significative existe néanmoins entre ces deux termes. Dans ce chapitre, il sera expliqué pourquoi la différence entre ces deux termes est d’une réelle importance pour les personnes qui travaillent avec la mesure de la vapeur d’eau dans un environnement sensible. Les termes et définitions employés pour la quantification de la vapeur d’eau dans un gaz seront développés.

La vapeur d’eau joue un rôle critique pour l’assurance de la qualité et de l’efficience des produits qui améliorent notre quotidien, puisque les utilisateurs se fient au fait que la fabrication de ces produits soit effectuée en respectant certaines spécifications. Il est indispensable de comprendre, pour les fabricants dans de nombreuses branches, comment la mesure précise de l’humidité fonctionne et quel est le rôle de leur appareil de mesure.

La signification de la précision

L’humidité est mesurée à l’aide d’un hygromètre, un appareil qui utilise différents matériaux et données de mesure, pour déterminer la teneur en vapeur d’eau d’une pièce ou d’une surface. Bien qu’aucune mesure scientifique ne soit absolument exacte, la valeur de mesure la plus précise possible revêt une importance décisive pour de nombreux secteurs. Étant donné que la vapeur d’eau, à partir d’une certaine concentration peut provoquer de la condensation et, finalement, de la corrosion ou des moisissures, des valeurs de mesure extrêmement précises de l’humidité sont capitales pour éviter la dégradation de matériaux de construction en bois, produits alimentaires, médicaments, carburants, papier, composants électroniques et de nombreux autres matériaux. Les mesures de l’humidité contribuent à maintenir, pour les produits, des conditions environnementales optimales, et à éviter les dégâts coûteux causés à des marchandises précieuses.

Informations techniques

Dans ce chapitre, nous définirons les lois physiques qui régissent l’humidité relative. Dans une gamme de température entre -50 et 150 °C et avec une pression maximale de 1000 kPa, la vapeur d’eau se comporte comme un gaz idéal. À l’aide d’exemples, nous illustrerons l’influence de la température et de la pression sur l’humidité relative et nous expliquerons comment les valeurs d’humidité relative peuvent être converties en point de rosée et humidité absolue.

Au préalable, nous voulons aborder les principes de base avec un aperçu des propriétés générales de la vapeur d’eau dans un gaz humide.

Propriétés de la vapeur d’eau dans un gaz humide

Évaporation
Lorsqu’une molécule d’eau se détache d’une surface en se gazéifi ant, elle s’évapore. Par l’absorpti on ou la libérati on d’énergie cinéti que, elle passe de l’état liquide à l’état de vapeur. L’eau liquide qui passe à l’état de vapeur emporte une part de la chaleur contenue: ce processus est appelé refroidissement par évaporati on.

Le refroidissement par évaporati on est réduit par les conditi ons atmosphériques. Le processus d’évaporati on consomme plus de chaleur lorsque l’air est chaud et sec. C’est pourquoi l’eff et de fraîcheur, en comparaison avec le refroidissement par évaporati on, est plus marqué dans un air chaud et humide.

Condensation
La transformati on de vapeur d’eau en un liquide est appelée condensati on. La vapeur d’eau sur une surface ne condense que lorsque celle-ci est plus froide que la température du point de rosée ou lorsque la pression d’équilibre de la vapeur dans l’air est dépassée. Un net réchauff ement se produit lorsque la vapeur d’eau condense sur une surface. Les molécules d’eau libèrent de la chaleur provoquant une hausse de la température ambiante.

Réactions chimiques
De nombreuses réacti ons chimiques produisent de l’eau. Si la réacti on a lieu à une température au-dessus du point de rosée de l’air ambiant, de l’eau apparaît sous forme de vapeur et le taux de vapeur dans le gaz est augmenté. Si la réacti on a lieu sous le point de rosée, de la condensati on est produite et de la vapeur d’eau est reti rée au gaz.

D’autres réacti ons chimiques ont lieu en présence de vapeur d’eau et produisent de nouveaux corps chimiques, comme, par exemple, la rouille sur le fer ou l’acier.

Humidité relative, pressionet température

Les propriétés de l’objet à mesurer sont plus compréhensibles si l’on considère les lois physiques en relati on avec la vapeur d’eau dans un gaz humide. La compréhension de ces propriétés va contribuer à réaliser des mesures plus précises et un travail plus effi cient, que ce soit pour protéger un produit contre la corrosion ou pour maintenir des conditi ons environnementales défi nies, exactes pour son entreposage ou sa fabricati on.

Humidité et lois physiques
Dépendance de la pression et de la température: les lois suivantes concernant les gaz idéaux vont nous aider à comprendre, comment la teneur en humidité varie en foncti on de l’environnement.

Loi de Boyle

• Définition : À température constante, le produit du volume et de la pression d’une quanti té donnée de gaz est une constante.
• Lois : P x V = constante
• Remarques : La valeur de la constante dépend de la quanti té de gaz présent dans le volume.

Loi de Charles

• Définition : Pour une pression constante, le volume d’une quanti té donnée de gaz est proporti onnel à la température absolue (°K).Ou, pour un volume constant la pression d’une quanti té donnée de gaz est proporti onnelle à la température absolue (°K).
• Lois : V = q x T Ou P = j x T
• Remarques : q est une constante de proporti onnalité qui dépend de la quanti té de gaz. j est une constante de proporti onnalité qui dépend de l’échantillon respectif de gaz et de son volume. Pour convertir la température en °C en température absolue °K, la constante 273,15 est ajoutée.

Loi de Dalton de la pression partielle

• Définition : La pression totale d’un mélange de gaz est égale à la somme de la pression que chaque gaz exercerait si il était seul présent.
• Lois : Pt = P1+ P2+ P3+...
• Remarques : P1, P2 etc. sont les pressions parti elles des gaz 1, 2 etc.

Hypothèse d’Avogadro

• Définition : À température et pression égales, les mêmes volumes de gaz conti ennent le même nombre de molécules.
• Lois : Exemple: un litre de gaz idéal à une température de 0°C et une pression de 101,3 kPa conti ent 2,688 x 1022 molécules
• Remarques : La température de 0°C et la pression de 101,3 kPa correspondent aux conditi ons standards de température et de pression ou STP.

Volume d’un mole de gaz à température et pression standards (STP)

• Définition : Puisqu’un Mol de gaz à STP conti ent 2,688 x 1022 molécules (ou atomes pour le cas d’un gaz monoatomique), il en découle qu’un Mol de gaz (6,022 x 1023 molécules) à STP occupe un volume de 22,4 l.
• Remarques : Voir les défi niti ons suivantes pour les Mol et le nombre d’Avogadro.

Équati on générale des gaz

• Définition : Le produit du volume et de la pression d’une quanti té donnée de gaz est proporti onnel à la température absolue.
• Lois : P x V = n x R x T
• Remarques : n est le nombre de Mol dans le gaz, R est la constante molaire de gaz. La constante R est égale à:0,08206 atm x litres/°K x Mol8,30928 Pa x m3/K x Mol

Fracti on molaire et pression parti elle

La compositi on d’un mole d’un mélange de gaz peut être exprimée comme fracti on molaire de ses composants. La fracti on molaire d’un composant parti culier est défi nie comme la totalité des moles de ce composant divisée par le nombre total de moles de tous les composants. Il résulte de cett e défi niti on que la somme totale des fracti ons molaires est égale à un.

Exemple: air sec au niveau de la mer

1. Azote: fracti on molaire: 0,78084
2. Oxygène: fracti on molaire: 0,20948
3. Gaz carbonique: fracti on molaire: 0,0004

Si Pt représente la pression totale d’un mélange de gaz et n1, n2, etc. les fracti ons molaires de ses composants, il en découle que:

Pt= Pt x (n1+ n2 + ...) et

Pt= Pt x n1+ Pt x n2 + ...

alors que Pt x n1, Pt x n2, etc. sont les pressions parti elles des composants 1, 2, etc.

La vapeur d’eau est l’un des gaz qui composent l’air. La pression totale d’un système tel que l’air au niveau de la mer est, par exemple, de 1.013 kPa (ou 29,9 pouces de mercure), et cet air est composé d’azote, d’oxygène, de vapeur d’eau et autres gaz traces, chacun de ces gaz contribue à la pression totale de 1.013 kPa. La part de la vapeur d’eau est appelée pression parti elle de la vapeur d’eau. La pression parti elle de la vapeur d’eau est une valeur clé qui se retrouve dans la formule qui défi nit tous les autres paramètres d’humidité.

Conséquence d’un changement de pression

Un changement de la pression totale d’un mélange de gaz avec une compositi on constante a pour résultat, le même changement de la pression parti elle de chacun de ses composants. Si l’on double, par exemple, la pression totale d’un mélange de gaz, la pression parti elle de chacun de ses composants est également doublée. Lorsque la pression totale augmente, la pression parti elle de la vapeur d’eau augmente proporti onnellement.

Il est très important de comprendre ces faits lorsque nous établissons l’humidité relati ve et la température du point de rosée. En cas d’augmentati on de la pression dans un système fermé, l’humidité relati ve et la température du point de rosée augmentent également jusqu’à att eindre la saturation.

Pression de la vapeur au-dessus d’un liquide

Étant donné que les molécules sont disposées de manière plus dense dans un liquide que dans un gaz, les forces intermoléculaires y sont aussi plus fortes que dans un gaz. Pour qu’un liquide s’évapore, les forces intermoléculaires doivent dépasser l’énergie cinéti que des molécules.

Si l’on verse un liquide dans un récipient fermé, les parti cules qui entrent en phase de vapeur ne peuvent pas s’échapper. Lors de leurs mouvements aléatoires, ces parti cules entrent en contact avec le liquide et sont de nouveau atti rées par les forces intermoléculaires. C’est ainsi que deux processus se produisent simultanément: évaporati on et condensati on.

La vitesse d’évaporati on augmente en relati on avec l’augmentati on de la température. Ceci est dû au fait qu’une augmentati on de la température correspond à une augmentati on de l’énergie cinéti que des molécules. Simultanément, la vitesse de la condensati on augmente également puisque le nombre de parti cules en phase d’évaporati on croît: un nombre accru de molécules entre en contact avec la surface. Dès que ces deux processus sont en équilibre, le nombre de parti cules se stabilise, et donc également la pression dans la phase d’évaporati on.

La valeur de l’équilibre de pression de la vapeur dépend des forces d’att racti on entre les parti cules de liquide et la température de ce liquide. La pression de la vapeur sur un liquide augmente en même temps que la température.

Définitions de l’humidité

Densité de la vapeur d’eau (humidité absolue)

La densité de la vapeur d’eau, ou humidité absolue d’un mélange de vapeur d’eau et d’air sec est défi nie comme le rapport de la masse de vapeur d’eau Mw et du volume V occupé par ce mélange.

Dv = Mw / V, exprimé en gramme/m3 ou en grains/ft ³

La valeur de Dv est déduite de l’équati on PV = nRT.

Mw = nw x mw, dans laquelle:

nw = nombre de moles de vapeur d’eau dans le volume
Vmw = Masse des molécules d’eau

Dv = Mw / V = nw x mv / V = mw x p / RT, dans laquelle:

mw = 18,016 grammes
p = Pression parti elle de la vapeur d’eau [Pa]
R = 8,31436 Pa x m3 / K x moles
T = Température du mélange de gaz dans K
Dv = p / 0,4615 x T [g / m3]

1 gr (grain) = 0,0648 g (gramme)
1 ft ³ = 0,0283168 m3

Dv [gr / ft ³] = 0,437 x Dv [g / m3]

Teneur en vapeur d’eau

La teneur en vapeur d’eau est le rapport entre la masse de vapeur d’eau Mw et la masse d’air humide (Mw + Ma).

Q = Mw / (Mw + Ma)

Q = p mw / (p mw + (Pb – p) ma)

Q = 1000 p / (1,6078 Pb – 0,6078 p) [g / kg]

1 gr (grain) = 0,0648 g (gramme)
1 lb = 0,4535923 kg

Q [gr / lb] = 7 x Q [g / kg]

Rapport de mélange

Le rapport de mélange r de l’air humide est le rapport entre la masse de vapeur d’eau Mw et la masse d’air sec Ma, attribuée à la vapeur d’eau:

r = Mw / Ma

Mw = nw x mw = mw x p V / RT
Ma = na x ma = ma x pa V / RT = ma x (Pb – p) V / RT, dans laquelle:

nw = nombre de moles de vapeur d’eau dans le volume V
na = nombre de moles d’air chaud dans le volume V
mw = 18,016 grammes
ma = 28,966 grammes
p = Pression partielle de la vapeur d’eau [Pa]
pa = Pression partielle de l’air sec [Pa]
Pb = Pression totale ou barométrique [Pa]
R = 8,31436 Pa x m3 / K x moles
T = Température du mélange de gaz dans K
V = Volume occupé le mélange d’air et de vapeur d’eau

r = mw p / ma (Pb – p)

r = 621,97 x p / (Pb – p) [g / kg]

1 gr (grain) = 0,0648 g (gramme)
1 lb = 0,4535923 kg

r [gr / lb] = 7 x r [g / kg]

Rapport de mélange volumique

Le rapport de mélange volumique est le rapport entre le nombre de moles de vapeur d’eau nw et le nombre de moles d’air sec na, attribué à la vapeur d’eau.

Celui-ci est normalement exprimé en particules par million (ppm).

PPMv = 106 x nw / na

nw = p V / RT
na = pa V / RT = ma x (Pb – p) V / RT, dans laquelle:

p = Pression partielle de la vapeur d’eau [Pa]
pa = Pression partielle de l’air sec [Pa]
Pb = Pression totale ou barométrique [Pa]
R = 8,31436 Pa x m3 / K x moles
T = Température du mélange de gaz dans K
V = Volume occupé le mélange d’air et de vapeur d’eau

PPMv = 106 x p / (Pb – p)

Humidité relative

L’humidité relative est le rapport de deux pressions: %rF = 100 x p/ps, dans laquelle p est la pression partielle réelle de la vapeur d’eau présente dans l’environnement et ps la pression de saturation de l’eau à la température ambiante.

Les éléments sensibles pour l’humidité relative de l’air sont normalement étalonnés à température ambiante de la pièce (nettement au-dessus du point de gel). C’est pourquoi, il est généralement accepté, que ce type d’élément sensible indique l’humidité relative en rapport avec l’eau à toutes les températures (également sous le point de gel).

Comme nous l’avons déjà expliqué, la pression de la vapeur est moindre sur la glace que sur l’eau courante. Si de la glace est présente, la saturation a lieu à une humidité relative située sous 100 %. Une valeur d’humidité de 75% HR correspond ainsi, par exemple pour une température de -30 °C, à la saturation sur la glace.

Température des points de rosée et de gel

La température du point de rosée de l’air humide à la température T, la pression Pb et le rapport de mélange r, est la température à laquelle l’air doit être refroidi pour être saturé par rapport à l’eau (courante).

La température du point de gel de l’air humide à la température T, la pression Pb et le rapport de mélange r, est la température à laquelle l’air doit être refroidi pour être saturé par rapport à la glace.

Température à bulbe humide

La température à bulbe humide de l’air humide à la pression Pb, la température T et le rapport de mélange r, est la température que l’air prend, lorsque de l’eau est ajoutée par étapes, en peti te quanti té, à la température actuelle et s’évapore dans l’air, à pression constante, par un processus adiabati que, jusqu’à att einte de l’état de Saturation.

Effet de la température et de la pression globale sur la pression de la vapeur

Une erreur courante lors des mesures de l’humidité consiste à ne pas faire de diff érence entre les eff ets de la température et de la pression sur la vapeur d’eau. En tenant compte des eff ets de la température, de la pression et de la pièce sur la pression parti elle de la vapeur, il faut absolument diff érencier les situati ons suivantes:

• Saturation (liquide ou glace) ou non Saturation (vapeur uniquement)
• Récipient fermé ou volume solide ou bien pièce ouverte

Saturation

La pression parti elle de la vapeur correspond à la pression de Saturation et sa valeur dépend uniquement de la température. Il n’y a pas de diff érence entre la situati on en environnement ouvert et celle en récipient fermé.

Pas de saturation

La vapeur d’eau se comporte presque comme un gaz idéal et l’équati on suivante est valable pour la pression parti elle de la vapeur: p x V = n x R x T

Loi de Dalton

Dans une pièce ouverte, le volume V occupé par la vapeur peut augmenter librement. C’est pourquoi la pression parti elle p n’est pas infl uencée par la température. La pression parti elle p ne change que lorsque n varie (ajout ou retrait de vapeur) ou lorsque la pression globale change (loi de Dalton de la pression parti elle). C’est ainsi que la pression parti elle baisse, par exemple, lorsque l’alti tude augmente, ce qui provoque une baisse de la pression parti elle de la vapeur.

Dans un récipient fermé avec un volume fi xe, la vapeur occupe la totalité du volume du récipient et ce volume reste constant. La pression parti elle de la vapeur d’eau (p) ne varie que lorsqu’un changement de la température absolue (degré K) ou de la quanti té de vapeur d’eau survient. La pression parti elle p ne change pas en cas de variati on de la pression globale, à moins que cett e variati on de la pression globale ne soit due à un changement de la pression parti elle de la vapeur d’eau.

Effets de la température et de la pression sur le % HR

La pression de saturation de la vapeur dépend uniquement de la température. Il n’y a pas d’effet sur la pression globale et pas de différence entre la situation dans une pièce ouverte ou un récipient fermé.

Dans une pièce ouverte le %HR est directement proportionnel à la pression globale si l’humidité et la température restent constantes. La valeur de %HR est toutefois limitée à 100 %, puisque p ne peut pas être plus grand que ps.

Dans un récipient fermé avec un volume fixe le %HR baisse lorsque la température augmente mais toutefois moins que dans une pièce ouverte.

Exemples

(A) Immeubles de bureaux

D’un point de vue pratique, on peut considérer un immeuble de bureaux comme un environnement ouvert. Une hausse locale de la température, provoquée par exemple par un radiateur ou un appareil, ne modifie pas la valeur de la pression partielle de la vapeur d’eau, la pression locale de la vapeur est donc la même dans tout le bâtiment. La pression de saturation de la vapeur augmente toutefois localement. C’est pour cela que l’humidité relative baisse à proximité immédiate de la source de chaleur.

Admettons que la température soit de 25 °C et l’humidité relative de 50% à d’autres endroits du bâtiment, une augmentation de température locale à 30 °C provoque une baisse de l’humidité relative de la manière suivante:

ps à 25 °C = 3,17 kPa
ps à 30 °C = 4,24 kPa

p = 0,5 x 3,17 kPa = 1,585 kPa, correspond à 50 %HR

%HR local = 100 x 1,585/4,24 = 37,4 %

(B) Buée sur un miroir refroidi

Lorsque la température d’un miroir est baissée exactement jusqu’à la valeur à laquelle de la buée apparaît à sa surface, la valeur de la température du miroir est désignée par le terme point de rosée. En relati on avec l’exemple ci-dessus, le point de rosée correspondant à un état de 50 %HR et 25 °C, peut être déterminé de la manière suivante:

ps à 25 °C = 3,17 kPa
p = 0,5 x 3,17 kPa = 1,585 kPa, correspond à 50 %HR

Lorsqu’un équilibre est établi entre la buée sur le miroir et l’environnement, il en découle que ps, à la température de refroidissement du miroir, doit être égale à la pression de la vapeur p. En se basant sur une simple interpolati on de la valeur du tableau de Saturation de la vapeur, nous constatons que la valeur de 1,585 kPa pour ps correspond à une température de 13,8 °C. Cett e température est le point de rosée.

L’exemple ci-dessus montre qu’un thermomètre et un tableau de Saturation de la vapeur sont nécessaires pour converti r l’humidité relati ve en point de rosée et inversement.

(C) Compression dans une chambre close

Lorsqu’à température constante, la pression globale à l’intérieur d’une chambre close passe d’une atmosphère à une et demie, la pression parti elle de la vapeur d’eau augmente d’un facteur 1,5. Puisque la température reste la même, la pression de Saturation ps demeure également constante. Supposons que les valeurs environnementales aient été de 50 %HR et 25 °C avant la compression, ces valeurs seront ensuite de 75 %HR et 25 °C.

(D) Injecti on de gaz sec dans une chambre close

Lorsque de l’azote sec est injecté dans une chambre close contenant de l’air à 50 %HR, tout en maintenant la température constante, la pression globale augmente à l’intérieur de la chambre. La pression parti elle de la vapeur d’eau p reste néanmoins constante, puisque la fracti on de quanti té de mati ère de la vapeur d’eau, dans la chambre, diminue de façon à compenser exactement la hausse de la pression globale (voir loi de Dalton). Puisque la température reste constante, la pression de Saturation de la vapeur ps demeure également inchangée. L’humidité relati ve reste à 50 %, malgré le fait que l’on ait injecté un gaz sec dans la chambre.

Règle approximati ve pour l’humidité relati ve dans les applicati ons avec de l’air humide

Rappelez-vous que %HR = p/ps x 100

1. Lorsque la température d’un système augmente, l’humidité relati ve augmente puisque ps augmente alors que p reste la même. Lorsque la température baisse, le système fi nit par att eindre l’état de Saturation puisque p = ps et la température de l’air = la température du point de rosée.
2. Lorsque la pression totale d’un système baisse, l’humidité relati ve baisse également, puisque p baisse alors que ps reste la même, puisque la température n’a pas changé. Lorsque la pression totale d’un système augmente, l’humidité relati ve augmente également jusqu’à l’att einte de l’état de Saturation.