En aérostation, nous avons affaire à des gaz, des liquides et des matières solides. Nous nous intéressons ici principalement aux substances avec lesquelles nous sommes confrontés dans leurs différents états physiques.

Question 1 : avec quelles substances avons-nous affaire en aérostation dans au moins deux états physiques différents ?

Le passage de l'état solide à l'état liquide s'appelle la fusion. Pour faire fondre un solide comme la glace, il faut lui apporter de la chaleur, c'est-à-dire le réchauffer. Le solide peut être réchauffé

• par exposition à un rayonnement, par exemple le rayonnement solaire.
• par conduction thermique directe d'un milieu à un autre.
• par convection d'un milieu environnant qui transfère ensuite l'énergie par conduction thermique directe au contact de la surface de la matière solide.
• en exerçant une pression sur le corps, qui est alors comprimé.

Le passage de l'état liquide à l'état solide s'appelle la congélation, il libère de la chaleur. Pour refroidir le liquide, il existe les possibilités suivantes :

Par conduction thermique directe d'un milieu à un autre, par exemple lorsque l'eau entre en contact avec une surface froide ou lorsque la température de l'air ambiant descend en dessous du point de congélation 0°C/273K.

Par rayonnement. Par exemple, la nuit, lorsque le rayonnement thermique émis par le milieu est supérieur au rayonnement incident.

Par convection d'un milieu environnant tel que l'air. Par exemple, l'air froid peut s'écouler dans la vallée et y abaisser la température de l'air jusqu'à ce qu'elle descende finalement en dessous du point de congélation de l'eau, soit 0°C/273K.

Lors de l'évaporation, une substance passe de l'état liquide à l'état gazeux sans que le liquide n'atteigne la température d'ébullition. La condition préalable est toutefois que le gaz ou le mélange gazeux au-dessus du liquide ne soit pas saturé. Appliqué à l'air, cela signifie que l'humidité relative de l'air est inférieure à 100%.

Par exemple, les êtres vivants ne peuvent plus se refroidir par la transpiration lorsque l'humidité de l'air est de 100%, car il n'y a alors plus d'évaporation.

Un exemple où une substance autre que l'eau s'évapore est l'essence dans le réservoir du ventilateur. Cependant, l'essence n'est pas une substance mais un mélange, et certaines de ses composantes s'évaporent plus rapidement que d'autres.

Un liquide s'évapore lorsqu'il dépasse la température d'ébullition, le point d'ébullition.

Attention : dans le langage courant, nous parlons de vapeur d'eau lorsque nous voyons effectivement un ensemble de minuscules gouttelettes. Le café fume. Comme tous les gaz, la vapeur d'eau est transparente et donc invisible.

Lorsque nous utilisons nos ballons, nous vaporisons le gaz propane. Le point d'ébullition du propane est de -42°C/231K à une pression de 1013hPa, la pression normale. Lorsque la pression augmente, le point d'ébullition augmente également, comme nous le savons grâce à la cocotte-minute.

Le propane restant sous pression dans la bouteille, il reste liquide. Comme la bouteille n'est pas entièrement remplie de propane liquide, un coussin de gaz se forme au-dessus du propane liquide. Le propane liquide est prélevé à l'aide d'un tube plongeur et surchauffé dans les spirales du brûleur, de sorte qu'il s'évapore brusquement lorsqu'il sort des buses du brûleur.

L'évaporation et la vaporisation nécessitent toutes deux de l'énergie thermique. Si la quantité de propane nécessaire au fonctionnement du brûleur s'évaporait dans la bouteille, celle-ci se refroidirait tellement qu'elle gèlerait.

Comme nous l'avons déjà expliqué, la température d'ébullition augmente lorsque la pression augmente. À l'inverse, la température d'ébullition diminue lorsque la pression diminue. C'est le principe du carburateur dans un moteur. Ici, du carburant liquide est ajouté à un endroit où règne une dépression, de sorte qu'il se gazéifie. Comme nous l'avons appris, l'évaporation et la gazéification nécessitent de l'énergie thermique. Et celle-ci est prélevée dans l'environnement. Dans le cas du carburateur, si l'essence contient de l'eau, cela peut entraîner le givrage du carburateur. Et le carburateur peut alors tomber en panne.

Lors du fonctionnement d'une montgolfière, il existe deux cas de transformation indésirable du propane liquide en propane gazeux :

Dans le détendeur, lorsque celui-ci n'est pas alimenté par le coussin de gaz situé au-dessus du propane liquide lorsque la bouteille est couchée, mais directement par le propane liquide. Le détendeur gèle alors.

Et au niveau de la soupape de commande du brûleur, si celle-ci n'est pas complètement ouverte et qu'une chute de pression se produit en raison de la section réduite, le propane liquide se transforme en gaz. La soupape de commande peut alors givrer. Si le propane contient de l'eau, il y a un risque que la soupape givre à l'intérieur et ne fonctionne plus comme prévu. C'est pourquoi il faut toujours ouvrir et fermer complètement la soupape de commande.

Les gaz utilisés comme gaz porteurs, l'hydrogène et l'hélium, nécessitent des températures si basses et des pressions si élevées pour se liquéfier qu'ils restent toujours sous forme gazeuse dans le ballon.

Mais dans de rares cas, il arrive que le gaz porteur soit livré sous forme liquide lors d'événements. Il est alors transporté dans des conteneurs spécialement isolés à une température inférieure à -259°C/14K et doit être vaporisé pour remplir les ballons. Pour ce faire, il passe par un vaporisateur, généralement un vaporisateur à froid, qui prélève l'énergie thermique de l'air ambiant. Compte tenu de la quantité d'hydrogène ou d'hélium nécessaire pour remplir les ballons en peu de temps, le vaporisateur à froid a tendance à givrer et ses performances diminuent car la glace a un effet isolant.

L'eau se condense dès que la saturation de 100 % est dépassée. Dans l'atmosphère, le point de rosée, c'est-à-dire le point où l'humidité relative est de 100 %, est atteint par refroidissement. L'humidité relative est le rapport entre la quantité absolue de vapeur d'eau contenue dans l'air et la quantité maximale de vapeur d'eau que l'air peut contenir. Et cette quantité dépend de la température.

Le refroidissement dans l'atmosphère se produit

• de manière adiabatique, lorsque l'air monte, se dilate et que la pression diminue.
• au niveau des surfaces qui se refroidissent par rayonnement et refroidissent ainsi l'air en contact direct par conduction thermique directe. Cette surface peut également être l'enveloppe du ballon.
• par mélange avec de l'air plus frais.
• par advection, lorsque l'air s'écoule sur une surface plus froide.

Le condensat se présente généralement sous forme de microgouttelettes qui forment ensuite des nuages et de la rosée sur les surfaces.

Lors de la condensation, de la chaleur est libérée et contrecarre le refroidissement, mais ne peut l'empêcher complètement. Cela signifie que le refroidissement adiabatique est réduit de la quantité de chaleur apportée par la condensation. Le refroidissement dû au gradient adiabatique est d'environ 1 °C/1 K par 100 m et le gradient adiabatique humide d'environ 0,6°C/0,6K par 100 m. Le gradient adiabatique humide s'applique dans la zone où se produit la condensation. Et C'EST POURQUOI parce que le changement de température adiabatique dépend du changement de pression, et que le changement de pression n'est pas linéaire avec l'altitude dans l'atmosphère, mais diminue avec l'altitude.

Sublimation : il existe également une transition directe de l'état gazeux à l'état solide. Les exemples les plus connus sont la formation de givre (le givrage des surfaces des avions est souvent lié à la formation de givre) et les fleurs de givre sur les fenêtres.

Le processus inverse se produit lorsque les cristaux de glace ne fondent pas, mais passent directement à l'état gazeux. La lyophilisation ou le séchage du linge par le gel en sont des exemples.

Ce processus est appelé sublimation ou sublimer dans les deux sens.

Question 2 : Quels changements d'état avez-vous déjà observés ? Et comment ?

Question 3 : Quels changements d'état libèrent de la chaleur ?

Question 4 : Quels changements d'état nécessitent un apport d'énergie thermique ?

Formulaire de réponse concernant les états physiques