Cuisson des aliments, repassage, nettoyage. La vapeur est présente dans notre quotidien. Mais elle intéresse aussi beaucoup les industriels.
Le rôle de la vapeur d'eau est d'humidifier l'atmosphère et diminuer l'oédème des voies respiratoires. C'est donc un moyen très efficace pour soulager les laryngites et les toux rauques ou pénibles.
Avantages de la machine de James Watt
Sa machine permet de créer un mouvement de rotation à partir du mouvement rectiligne du piston. Cela lui permit ensuite de concevoir le cylindre à double action : la vapeur entraîne le piston, lors de sa montée ET de sa descente.
À la pression atmosphérique, une goutte d'eau à l'état de vapeur (→ gaz) occupe un volume 1 700 fois plus grand qu'à l'état liquide ; il en résulte une force d'expansion qui a été mise à profit comme force motrice dans les techniques, l'industrie, la navigation, etc.
La machine à vapeur utilise la puissance de la vapeur d'eau pour faire bouger des machines. Son fonctionnement : une chaudière chauffe de l'eau et émet de la vapeur. Cette vapeur entre dans un cylindre et exerce une pression qui fait monter et descendre un piston.
L'inconvénient de cette technique est le poids et l'encombrement du condenseur.
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).
La lente diffusion de la machine à vapeur
Dans l'industrie britannique, la machine à vapeur est utilisée dans la première moitié du XIXe siècle, uniquement dans les secteurs les plus modernes : l'industrie cotonnière, la métallurgie, la construction mécanique et les mines.
Ainsi pour transformer, sous la pression atmosphérique, une masse de 1 kg d'eau pris à 20 °C en vapeur, l'énergie à fournir est égale à l'énergie fournie pour passer de 20 °C à 100 °C à l'état liquide soit 334 kJ puis à celle requise lors de la vaporisation à 100 °C soit 2256 kJ donc au total 2590 kJ.
Un peu plus loin, ce même article nous apprend que « 100 °C, soit la température d'ébullition de l'eau, c'est en fait la température où la totalité du liquide chauffé se transforme en gaz.
Les molécules d'eau qui se retrouvent dans l'atmosphère pour former la vapeur d'eau conservent l'énergie qu'elles ont utilisée pour s'échapper de la masse d'eau. Cette énergie sera libérée dans l'environnement lorsque la vapeur retournera à l'état liquide. C'est la chaleur latente de vaporisation.
La vapeur d'eau se transforme en eau liquide, c'est une liquéfaction.
La structure de l'eau dépend de son état physique. L'état gazeux (vapeur) correspond exactement à la formule H2O et en particulier au modèle angulaire (figure 1).
La vapeur d'eau n'est pas le moteur du réchauffement climatique, mais elle y participe par un effet amplificateur. En effet, l'augmentation des concentrations des gaz tels que CO2 et CH4 conduit à une amplification de l'effet de serre, et donc une élévation des températures.
L'inventeur britannique Thomas Newcomen (1663‑1729) met en place la première machine à vapeur utilisable, nommée « pompe à feu » ou « machine atmosphérique ».
C'est au XVIII e siècle, en Angleterre, lors de la révolution industrielle que va se généraliser son utilisation. L'invention de la machine à vapeur est déterminante, seul le charbon, à l'époque, est capable de fournir assez de chaleur pour produire de la vapeur.
En 1679, le Français Denis Papin conçoit une sorte de Cocotte-minute qui montre que la condensation de la vapeur produit une force importante. Le mécanicien anglais, Thomas Newcomen, construit une machine à vapeur en 1712 qui pompe l'eau dans une mine de charbon.
C'est-à-dire qu'on obtient la vapeur d'eau saturée lorsque la vitesse de vaporisation de l'eau est égale à celle de sa condensâtion.
Un corps pur à l'équilibre liquide-vapeur est généralement qualifié de fluide saturé. Pour un composé chimique pur, cela implique qu'il est à son point d'ébullition.
La vapeur d'eau humide est un gaz qui ne contient pas que des molécules d'eau à l'état gazeux mais aussi en suspension à l'état liquide. Éclatées en gouttelettes fines, cette vapeur humide est plus lourde car a son taux d'humidité élevé. A l'œil nu le jet est plus conséquent et de couleur gris opaque.
En 1763, alors qu'il répare un moteur, l'ingénieur écossais James Watt (1736-1819) cherche des idées pour en augmenter l'efficacité. En 1765, il finalise une chambre de condensation pour la vapeur et dépose un brevet en 1769.
Parce que les machines industrielles avaient besoin pour fonctionner d'une vitesse constante, Watt a ajouté une vanne de régulation de la vapeur, associée à un régulateur centrifuge qu'il a adapté en s'inspirant de ceux qui étaient utilisés pour contrôler automatiquement la vitesse des moulins à vent ou à eau.
Cette eau liquide occupe alors un volume beaucoup plus petit que celui occupé par la même quantité de vapeur : il se crée un vide sous le piston. La pression atmosphérique peut s'exercer : elle pousse le piston vers le bas. Ce mouvement entraîne le balancier et la pompe comme on peut le voir sur l'animation ci- dessus.