La vapeur d'eau
La vapeur d'eau est un gaz qui se forme lorsque l'eau passe de l'état liquide à l'état gazeux. Au niveau moléculaire, cela se produit lorsque des molécules H2O parviennent à se séparer des liaisons qui les retiennent ensemble (c.-à-d., les liaisons hydrogène).
Le mécanisme d'évaporation de l'eau
À l'état liquide, les molécules H2O sont constamment en train de se lier et de se séparer les unes des autres. Lorsqu'on augmente la température de l'eau, les liaisons qui retiennent les molécules ensemble commencent à se briser plus rapidement qu'elles ne se forment. Ainsi, lorsqu'une quantité suffisante d'énergie a été fournie, certaines molécules parviennent à se séparer complètement de l'ensemble. Ces molécules «libres» deviennent le gaz transparent que nous connaissons sous la forme de vapeur d'eau, plus précisément de vapeur d'eau sèche.
Vapeur d'eau sèche/humide
Il est important de comprendre la différence entre la vapeur d'eau sèche (ou saturée) et la vapeur d'eau humide, surtout pour son utilisation dans le secteur industriel.
- La vapeur d'eau sèche fait référence à un gaz qui ne contient que des molécules d'eau à l'état gazeux. C'est un gaz transparent.
- La vapeur d'eau humide fait référence à un gaz qui ne contient pas seulement des molécules d'eau à l'état gazeux, mais aussi en suspension à l'état liquide.
Prenez par exemple une bouilloire qui bout de l'eau. La température de l'eau augmente grâce à la chaleur transmise par l'élément chauffant. L'eau absorbe la chaleur de l'élément progressivement, ce qui accroît l'agitation des molécules H2O, et elle commence par la suite à bouillir. Une fois qu'une quantité suffisante d'énergie a été absorbée, une partie des molécules se vaporise. Ce changement d'état peut produire de la vapeur d'eau qui a une masse volumique inférieure de 1600 fois à celle de l'eau liquide.
La buée que l'on voit souvent sortir du bec de la bouilloire est un bon exemple de perte de chaleur. La vapeur d'eau sèche perd une partie de son énergie lorsqu'elle entre en contact avec l'air ambiant plus froid. Les fines gouttelettes d'eau que l'on voit sont formées par une perte d'énergie assez grosse pour que les liaisons intermoléculaires se reforment. La vapeur sèche devient alors de la vapeur humide puisqu'elle comprend un mélange d'eau à l'état liquide (les fines gouttelettes) et à l'état gazeux (la vapeur).
Pour de plus amples renseignements sur les propriétés de l'eau et de la vapeur, lisez notre article sur:
La vapeur d'eau comme force motrice
La vapeur d'eau a joué un rôle essentiel durant la révolution industrielle. Plusieurs découvertes capitales ont été faites grâce à la modernisation du moteur à vapeur au début du 18e siècle, comme par exemple l'invention de la locomotive à vapeur, du bateau à vapeur, du fourneau à vapeur et du marteau-pilon à vapeur.
De nos jours, l'électricité et les combustibles fossiles (grâce au moteur à combustion interne) ont en grande partie remplacé la vapeur comme force motrice. Elle est toutefois encore beaucoup utilisée dans les centrales d'électricité et dans certaines applications industrielles à grande échelle.
La vapeur d'eau comme source de chaleur
La vapeur d'eau est maintenant surtout reconnue pour ses applications comme source de chaleur directe et indirecte.
Chauffage direct
Le chauffage à la vapeur direct fait référence aux procédés où la vapeur d'eau entre en contact direct avec le produit à chauffer.
L'exemple ci-dessous démontre des boulettes cuites à la vapeur. Un panier est placé au-dessus d'une casserole où de l'eau est bouillie. La vapeur d'eau s'élève et fait cuire les aliments. Dans cet exemple, la chaudière (casserole) et la cuve à vaporiser (panier) sont combinées.
L'idée derrière l'utilisation de la vapeur comme moyen de cuisson direct est de permettre à la chaleur latente d'être directement transmise aux aliments à chauffer tout en les hydratant à l'aide des petites gouttes formées au contact de la vapeur avec le produit.
Dans le secteur manufacturier, la vapeur est souvent utilisée de manière directe pour la cuisson des aliments, la stérilisation, l'étouffement, la vulcanisation et plusieurs autres procédés.
Chauffage indirect
La méthode de chauffage à vapeur indirect fait référence aux procédés où la vapeur n'entre pas en contact direct avec le produit à chauffer. Elle est très répandue dans le secteur manufacturier parce qu'elle offre un moyen de chauffage rapide et égal. Cette méthode utilise normalement un échangeur de chaleur pour chauffer le produit.
L'avantage d'utiliser la méthode indirecte est qu'elle empêche les gouttes d'eau d'affecter le produit à chauffer. La vapeur d'eau peut donc être utilisée pour toutes sortes d'applications comme la fusion, le séchage, la cuisson et ainsi de suite.
Le chauffage à vapeur indirect peut être utilisé dans divers procédés comme ceux pour la production d'aliments, de breuvages, de pneus, de papier, de carton, de carburants comme l'essence, de médicaments, etc.
Pour plus de détails sur l'utilisation de la vapeur dans les différent secteurs manufacturiers, lisez le prochain article sur:
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