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La pression de vapeur saturante 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. Certain utilisent le terme « pression de vapeur », mais
celui-ci est ambigu car il évoque la pression partielle de la
vapeur.
La pression de vapeur saturante est la pression partielle de la vapeur d'un corps pur à partir de laquelle une partie du corps pur passe sous forme liquide. On dit aussi que c'est la pression maximale de sa vapeur « sèche » (c'est-à-dire sans phase liquide).
Quand la pression partielle de la vapeur est égale à la pression de vapeur saturante d'un liquide, ce liquide et sa vapeur sont en équilibre.
Si la pression partielle de la vapeur dépasse la pression de vapeur saturante, il y a donc liquéfaction ou condensation. À partir d'une situation 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.
| Sommaire |
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 est composée du corps pur sous forme gazeuse ; la contribution à la pression cette fraction 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.
Si cette vapeur est mélangée avec d'autres gaz, 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 partielle du gaz est supérieure à la pression de vapeur saturante, mais inférieure à la pression totale : le liquide passe alors lentement sous forme gazeuse, c'est l'évaporation. Il n'y a ébullition (vaporisation) que si la pression de vapeur saturante est supérieure à la pression totale.
Ainsi, pour une pression donnée, le point 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 :
En résumé :
où Psat(T) est la pression de vapeur saturante, Pvap est la pression de vapeur (pression partielle de la vapeur) et Patm est la pression ambiante.
Par exemple, une flaque d'eau s'évapore au Soleil (la pression de vapeur saturante de l'eau est supérieure à la pression aprtielle 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 de gaz liquéfié (type propane ou butane), le gaz bout à froid 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).
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 d'agitation thermique est supérieure à la différence d'énergie potentielle de gravité, 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 en une consigne de température de stockage pour assurer que la composition du gaz est bien la composition nominale.
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 :
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 à 20 °C est tellement faible qu'il est improbable d'avoir un seul atome de fer dans une pièce bien que l'acier présent soit à l'équilibre avec sa vapeur (on entre là dans des considérations quantiques de probabilité 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, et à l'intérieur de cette porosité, une partie solide passe sous forme gazeuse (avc la même précaution que ci-dessus). Cependant, ceci n'est pas lié à la pression atmosphérique comme pour les liquides (sauf pour des pressions extrêmes), mais plutôt aux propriétés du matériau, comme la présence de défauts ponctuels dans un cristal (lacunes) et la tension superficielle.
À partir d'une situation d'équilibre Psat(T) = Pvap
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 :
La pression de vapeur saturante d'une substance en phase liquide peut être — et est généralement — différente 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 liquide 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.
Le calcul approximatif de la pression de vapeur saturante peut se faire à l'aide d'une formule issue de l'équation de Clapeyron, en prenant comme hypothèses — entre autres — que la vapeur se comporte comme un gaz parfait et que l'enthalpie de vaporisation ne varie pas avec la température dans la plage considérée.
avec :
Pour l'eau, par exemple :
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, de brouillard, de bruine ou de nuages.
La pression de vapeur saturante de l'air humide représente la quantité 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 le pression partielle de vapeur et la pression de vapeur saturante multipliée par cent
| 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 de 5 à 140 °C par rapport aux tables thermodynamiques) :
avec :
Pour des températures plus élevées, on pourra utiliser la formule de Duperray (écart de 0,12 à 7,7% sur la plage de 90 à 300 °C) :
avec :
Il existe d'autres modèles.
