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L’air et l'atmosphère
Juillet 2010
La loi du 11 mars 1957 n'autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l'article 41, d'une part que les "copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective", et d'autre part que les analyses et courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration " toute reproduction intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite ".
LA COMPOSITION DE L'AIR
Les atomes en jeu
Les différents atomes intervenant dans la composition de l'air sont les suivants, indiqués avec leurs masses atomiques mat :
- O (oxygène) : mat = 15,9994 ; N (azote) : mat = 14,0067 ; C (carbone) : mat = 12,01 ;
- H (hydrogène) : mat = 1,0080 ; Ar (argon) : mat = 39,95 ; Ne (néon) : mat = 20,179 ;
- He (hélium) : mat = 4,0026 ; Kr (krypton) : mat = 83,80 ; Xe (xénon) : mat = 131,30.
Les molécules présentes dans l'air
Les molécules présentes dans l'air, caractérisées par leur masse molaire mmol [kg/kmol], sont :
- Soit des molécules simples, constituées d'un ou deux atomes : O2, N2, H2, Ar, etc., les principales
étant les suivantes : N2 (azote), mmol = 28,0134 ; O2 (oxygène), mmol = 31,9988 ;
. Ar (argon), mmol = 39,95 ; les autres étant relativement négligeables ;
- Soit des molécules composées qui sont - pour l'essentiel - les suivantes :
. CO2 (dioxyde de carbone), mmol = 44,0088 ; CH4 (méthane), mmol = 16,042 ;
. N2O (monoxyde d'azote), mmol = 44,1128 ; H2O (vapeur d'eau) : mmol = 18,0154.
La composition de l'air
L'air est un mélange de différents gaz ou vapeurs qu'il est habituel de classer en deux catégories :
1. les constituants permanents) qui sont toujours présents dans l'air, et ce en proportions fixes,
2. les constituants variables) présents en proportions variant avec le temps et avec le lieu.
Leurs concentrations types sont indiquées par les tableaux suivants.
| CONSTITUANTS PERMANENTS | |
| constituant | fraction molaire |
azote (N2) |
0,781 10 0,209 53 0,009 34 0,000 01818 0,000 00524 0,000 00114 0,000 000 087 0,000 000 5 0,000 002 0,000 000 5 |
| CONSTITUANTS VARIABLES | |
| constituant | fraction molaire |
eau (extérieur) (H2O) |
de 0 à 0,07 |
Le modèle de base
La modélisation classique consiste à écrire symboliquement :
1. C'est le mélange de constituants permanents qui constitue ce qu'on appelle "l'air sec". C'est un gaz parfait dont la masse molaire équivalente est prise égale à 28,960 [kg/kmol].
2. Parmi les constituants variables, le seul généralement pris en compte est l'humidité, supposée à l'état de vapeur. Cette vapeur peut se comporter comme un gaz imparfait lorsque sa teneur est forte, mais ici - dans ce livret - nous la considérerons généralement comme un gaz parfait de masse molaire égale à 18,0154 [kg/kmol].
L'air réel est, pour la plupart des calculs de base, considéré comme un mélange simple de deux gaz : l'air sec et la vapeur d'eau :
En un point donné l'air est caractérisé :
- par sa pression, les pressions étant toujours, ici, exprimées en pascal [Pa],
- par sa température, en degré Celsius [°C],
- par sa teneur en humidité, qui peut être exprimée de différentes manières (voir plus loin).
L'ATMOSPHÈRE
Les conventions générales
1. Dans tous les calculs aérauliques (ce qui distingue ce domaine de celui des l'air comprimé) la pression de l'air est la pression atmosphérique normale (voir fiche nE01.4).
2. Dans les calculs aérauliques, l'humidité de l'air - lorsqu'elle est prise en compte - peut être exprimée de différentes manières comme indiqué plus loin.
L'atmosphère normale
La pression variant avec le temps les organisations internationales ont convenu d'une valeur moyenne dite "normale", définie pour l'atmosphère suivante :
- au niveau de la mer (z = 0) : q = 15 [°C] ; p = 101325 [Pa],
- la température décroît linéairement avec l'altitude (gradient de - 0,0065 [K/m]),
- l'air est supposé sec, de masse molaire 28,9645,
- l'intensité de la pesanteur : g = 9,80665 [N/kg].
La pression atmosphérique normale
Partant de ces hypothèses, en supposant l'atmosphère en équilibre, on peut calculer la pression à différents niveaux, qui est dite "pression atmosphérique normale", une grandeur qui ne dépend que de l'altitude.
Pour calculer la pression atmosphérique normale, en fonction de l'altitude, vous disposez de 3 méthodes.
1. Ou bien vous faites appel à la table E01.I ci-dessous qui fournit directement les valeurs principales.
2. Ou bien vous faites appel (sur calculette ou autrement) à la formule indiquée à l'encadré E01.A ci-dessous
3. Ou bien vous faites appel aux auxiliaires qui vous seront présentés par la suite.
| Encadré E01.A. PRESSION ATMOSPHÉRIQUE NORMALE pat [Pa] = pression atmosphérique (normale) ; alt [m] = altitude |
| Remarques générales Dans tous les encadrés, tels que le précédent (E01.A) où il y a présentation de formules : * ... signifie "multiplier par ..." / ... signifie "diviser par ..." ^ ... signifie "mettre à la puissance ..." |
DE L'AIR SEC À L'AIR HUMIDE
Les concepts de base
Les calculs (physiques) sur l'air étant souvent compliqués par les incertitudes sur l'humidité il est habituel d'utiliser les deux concepts suivants :
- celui d'air sec, supposant que l'air ne contient pas du tout d'humidité,
- celui d'air humide, air réel dont la teneur en humidité doit être fixée (voir plus loin).
On parle également "d'air sec" quand on veut simplifier les calculs et ne prendre en compte que
la fraction (essentielle) de l'air hors toute humidité.
L'avantage du concept d'air sec tient à ce que les propriétés ne dépendent que de deux paramètres :
- la pression (l'altitude),
- la température,
Alors que l'air réel fait intervenir un troisième paramètre (souvent difficile à fixer) : la teneur en humidité. Pour éviter cette complication l'auteur conseille d'utiliser le concept d'air moyen, défini
plus loin : l'humidité ne dépend alors que de la température, et l'air n'est caractérisé que par deux
paramètres, au lieu de trois : la pression (l'altitude) et la température.
Première forme de mesure de l'humidité : l'humidité spécifique
Le concept le plus rationnel pour caractériser la teneur en humidité de l'air consiste à utiliser la notion d'humidité spécifique, égale à la masse d'humidité contenue dans la fraction "sèche" de l'air.
L'humidité spécifique est exprimée en kilogramme d'humidité par kilogramme d'air sec [kgh/kga].
Attention :
1. Beaucoup d'auteurs utilisent le terme d'humidité absolue à la place de celui d'humidité spécifique : nous excluons ce terme , non conforme aux conventions.
2. Beaucoup d'auteurs utilisent, pour l'humidité spécifique, le gramme par kilogramme d'air sec : nous excluons ce mode d'expression.
3. Très souvent, au lieu d'utiliser l'humidité spécifique on utilise l'humidité relative définie comme suit.
Deuxième forme de mesure de l'humidité : l'humidité relative
L'humidité de l'air peut être également caractérisée par son humidité relative au lieu de l'être par l'humidité spécifique. Notée ici y (lire "psi") l'humidité relative est définie par la formule :
y = pv / psat
. où pv est la pression de vapeur d'eau [Pa] dans l'air,
. et psat la pression de vapeur saturante [Pa] qui varie avec la température de l'air, cette pression étant définie et analysée à la fiche suivante.
Attention :
Beaucoup d'auteurs expriment l'humidité relative en pourcent alors qu'ici nous utilisons la valeur directe (et non pas le pourcent). Quand nous écrivons y = 0,55, certains textes diront que y = 55 %.
Conversion des teneurs en humidité
L'expression fondamentale de l'humidité relative (y), définie par la formule y = pv / psat, fait intervenir :
1. une première valeur, celle de la pression de vapeur d'eau pv [Pa], à fixer ;
2. une deuxième valeur, celle de psat, la pression de vapeur saturante [Pa], qui ne dépend que de la température [°C] (voir fiche suivante).
L'humidité ne peut exister à l'état de vapeur que si sa pression est inférieure à la pression de vapeur saturante : psat,q (voir définition de l'humidité relative). Vous disposez de 3 méthodes d'évaluation.
1. Ou bien vous faites appel à la table E01.II (page suivante) fournissant les valeurs de psat,q,
2. Ou bien vous faites appel (sur calculette ou autrement) à l'encadré E01.B de la page suivante,
3. Ou bien vous faites appel aux auxiliaires qui vous seront présentés par la suite.
Dans un grand nombre de cas la valeur de l'humidité relative est connue, ou supposée telle. S'il n'en est rien c'est que le grandeur connue est l'humidité spécifique. Si vous devez convertir une humidité relative en humidité spécifique (ou inversément) vous pouvez faire appel à l'une des trois procédures suivantes :
1. Ou bien vous faites appel (sur calculette ou autrement) à l'encadré E01.C de la page suivante,
2. Ou bien vous faites appel aux auxiliaires qui vous seront présentés par la suite.
CONVERSIONS DES HUMIDITÉS
La pression de vapeur saturante
Dite aussi, parfois, pression de saturation, ses valeurs sont fournies à la table suivante.
| Encadré E01.B. PRESSION DE VAPEUR SATURANTE DE L'EAU psat [Pa] = pression de vapeur saturante (de la vapeur d'eau) ; TC [°C] = température Celsius TC compris entre -30 et 0 °C : u = 2,7862 + { (9,7561 * TC) / (272,67 + TC) } TC compris entre 0 et 50 °C : u = 2,7862 + { (7,5526 * TC) / (239,21 + TC) } |
| Encadré E01.C. HUMIDITÉ RELATIVE <-> HUMIDITÉ SPÉCIFIQUE psat [Pa] = pression de vapeur saturante (fonction de la température TC [°C] : encadré E01.B) pAt [Pa] = pression atmosphérique normale (fonction de l'altitude alt [m] : encadré E01.A) hspe [kg/kg] = humidité spécifique ; hrel = humidité relative hspe = 0,6221 * hrel * psat / (pAt - hrel * psat) hrel = hspe * pAr / {psat * (0,6221 + hspe) } |
