Evolution de l'eau dans une cocotte minute

[gloups13]

Bonsoir à tous.
J'ai beau faire des problèmes compliqués de thermodynamiques, certaines expériences simples de thermo restent incompréhensible pour moi. C'est pour cela que je voudrais savoir l'évolution de l'eau dans une cocotte minute.

Voila le schéma initial de la cocotte avant de chauffer. IMPORTANT, je suppose qu'il n'y a pas de clapet de sécurité. L'expérience s'arrête quand j'arrête de chauffer ou quand la cocotte éclate.

Au départ, l'eau et l'air est à 25°C, la pression est de 1 bar.
Je chauffe.... l'eau passe tranquillement de 25 à 100°C sans que la pression bouge.
A 100°C, la première goutte de vapeur d'eau apparaît dans l'air de la cocotte.
Et là, je ne sais plus ce qui se passe.
Soit, la pression et la température ne bouge pas et toute l'eau se vaporise tranquillement. Mais je ne pense pas car la le volume massique de la vapeur d'eau est beaucoup plus grand que celui de l'eau liquide.
Soit, La pression et la température montent en suivant la courbe de saturation liquide vapeur de l'eau (diagramme P,T) de l'eau.

Soit, je ne sais pas.
Quand dites vous?
Merci.
-----

[RomVi]

Bonjour

Pour commencer la pression va augmenter avant d'arriver à 100°C car une petite partie de l'eau va se vaporiser, et l'air va se dilater.
A 100°C la pression sera légèrement supérieure à la pression atmosphérique, puis celle ci continuera à augmenter en fonction de la quantité d'eau vaporisée. Si il n'y a pas assez d'eau la totalité pourra se retrouver sous forme vapeur, et celle ci commencera à chauffer au delà de la courbe de saturation.

[gloups13]

Merci, donc si j'ai bien compris, et ci il y a assez d'eau, une fois arrivé à 100°C, la température ne monte plus mais la pression oui.
Mais la pression monte en décrivant quelle courbe?

[antek]

Merci, donc si j'ai bien compris, et ci il y a assez d'eau, une fois arrivé à 100°C, la température ne monte plus mais la pression oui.
Mais la pression monte en décrivant quelle courbe?

La température augmente jusqu'à l'équilibre thermique.
Et si la température augmente, la pression aussi.

[A voir en vidéo sur Futura]

[trebor]

Bonjour à tous,

De l'info ici, la température ainsi que la pression peuvent monter très haut :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Vapeur_d%27eau

[LPFR]

Bonjour

Pour commencer la pression va augmenter avant d'arriver à 100°C car une petite partie de l'eau va se vaporiser, et l'air va se dilater.
A 100°C la pression sera légèrement supérieure à la pression atmosphérique, puis celle ci continuera à augmenter en fonction de la quantité d'eau vaporisée. Si il n'y a pas assez d'eau la totalité pourra se retrouver sous forme vapeur, et celle ci commencera à chauffer au delà de la courbe de saturation.

Bonjour.
Petite correction : quand la température atteint 100°C la pression sera le 1 bar de départ plus le 1 bar de pression de vapeur de l’eau, plus l’augmentation due à la augmentation de température de l’air : 1 bar * (373/273). Donc, en tout, 2,37 bars.
(À quelques broutilles près : dilatation de l’eau et du récipient, etc.).
Au revoir.

[gloups13]

je ne comprends plus rien. D'après les tables de la vapeur d'eau saturée, à 2.37 bars (plutôt 2.5 bars dans la table) j'ai une température de 127.41°C. Alors? une explication? Je pense que j'ai raté un truc.

[Dynamix]

Salut

Alors? une explication? Je pense que j'ai raté un truc.

LPFR a mis de l' eau glacée dans sa cocote .

[antek]

lpfr a mis de l' eau glacée dans sa cocote .

a 4 °C !

[LPFR]

je ne comprends plus rien. D'après les tables de la vapeur d'eau saturée, à 2.37 bars (plutôt 2.5 bars dans la table) j'ai une température de 127.41°C. Alors? une explication? Je pense que j'ai raté un truc.

Re.
Oui. Vous avez raté ce que j’ai écrit.
Lisez ce que j’ai écrit. Si la cocote ne contenait pas d’eau, à 100° la pression serait montée à 1,36 bars à cause de l’augmentation de la température de l’air à volume constant (P.V =n.R.T).
Mais s’il y avait de l’eau (c'est le cas), il faudrait ajouter la pression saturante de l’eau à 100° qui est d’un bar. Et vous aurez dans le volume du gaz, une pression partielle de l’air de 1,37 bars et une pression partielle de H20 de 1 bar. Qu’est ce que vous allez chercher avec une pression d’eau de 2,37 bars !!! ???
A+

[RomVi]

Bonjour.
Petite correction : quand la température atteint 100°C la pression sera le 1 bar de départ plus le 1 bar de pression de vapeur de l’eau, plus l’augmentation due à la augmentation de température de l’air : 1 bar * (373/273). Donc, en tout, 2,37 bars.
(À quelques broutilles près : dilatation de l’eau et du récipient, etc.).
Au revoir.

En effet, j'avais répondu intuitivement, mais l’augmentation de la pression n'est pas si insignifiante que ça.

[SULREN]

Bonsoir,
Je vais mettre mon grain de sel dans cette discussion et donner mon scenario. Mais attention : il est SGDG (Je précise cela car je suis conscient que j’encoure grand péril de me faire houspiller par LPFR et ROMVI (j’en ai l’habitude).

Toutes les pressions sont en bars absolus.
Partons d’eau à 20°C et d’air à 20°C dans notre cocotte minute.
La pression est la pression atmosphérique normale de 1,033 bar au moment où on ferme le couvercle. On fait l’hypothèse que cette cocotte cuit les aliments à 110°C donc que son sifflet démarre à 1,46 bar (pression de la vapeur d’eau saturée à 110°C).

La pression interne du gaz dans la cocotte Ps(20°c) est la somme :
- de la pression partielle de la vapeur d’eau Pve(20°) qu’il contient soit environ 0,024 bar
- de la pression partielle de l’air Pa(20°) soit : 1,009 bar
Puisque : Ps(20°C)= Pa(20°)+Pve(20°) = 1,033 bar

On augmente la température « t » progressivement (t est en °C).
On fait l’hypothèse qu’elle augmente de façon homogène dans la masse d’eau (pas vraiment le cas en pratique) et aussi que la température du gaz au- dessus de l’eau évolue en même temps que celle de l’eau (pas vraiment en pratique non plus).

La pression partielle de l’air Pa augmente de façon linéaire (en le supposant gaz parfait) selon la loi :
Pa (t) = 1,009 * (t+273-20)/273
La pression partielle de la vapeur d’eau augmente aussi, selon les tables de la vapeur d’eau saturée.
La pression Ps (t) augmente comme la somme des deux précédentes.

Vers 70°C on atteint une pression Ps (70) d’environ 1,46 bar.
C’est la pression à laquelle le clapet sifflant de la cocotte s’ouvre.
L’air s’échappe ainsi qu’un peu de vapeur d’eau.
L’air disparait complètement si on continue à chauffer et sa pression partielle disparait.
La pression totale Ps devient égale à la pression de la vapeur d’eau saturée
Elle reste stable à 1,46 bar mais la température de l’eau augmente progressivement jusqu’à 110 °C correspondant à la pression de vapeur saturée de 1,46 bar et elle reste stable à 110°C

Si vers 70°C la cuisinière empêche le clapet sifflant de s’ouvrir et qu'elle continue de chauffer, la pression totale dans la cocotte augmente plus vite que la pression de la vapeur saturante à la température atteinte par l’eau.
A un moment donné la soupape de sûreté s’ouvre.
Si la cuisinière la bloque aussi il n’y a plus qu’à espérer que le joint de couvercle rende l’âme, sinon c’est la cuisinière qui rend la sienne, …..avec panache…… de vapeur.

C’est juste un scenario perso de premier jet, pas mûri, sur lequel je ne prendrais pas le risque de miser, en tous cas pas sans l'avoir vérifié. Donc : pas taper !
Bonne nuit.

PS : il faudrait tenir compte de l’air dissout dans l’eau initiale, qui en dégazant augmente la pression partielle de l’air.

[LPFR]

Bonjour.
La question au départ, est un récipient fermé sans soupape de sécurité. Donc, votre explication ne répond pas à la question d’origine.
Dans mes explications, j’ai simplifié les pressions pour que la situation soit plus facilement compréhensible, sans noyer le lecteur dans des chiffres ou des détails inutiles, sauf pour le calcul précis.
Tous ce détails valent (ou non) la peine d’être pris en compte seulement dans un deuxième temps, si on a besoin de calculer avec précision.
Au revoir.

[SULREN]

Bonjour,
Vous avez en effet simplifié vos explications, au point de vous arrêter à 100°C.

D’autre part :
- OK pour les détails de calcul, qui n’étaient utiles (sous réserve déjà qu’ils soient justes) que si on voulait connaitre aussi le cas d’utilisation normale d’une cocotte-minute.
- Mais j’ai envisagé aussi le cas des orifices bouchés, correspondant à l'énoncé, en concluant à une d’élévation de la pression conduisant probablement à une fuite au joint, ou au pire à une explosion.

Je ne sais pas dire à quel niveau de pression cela se produirait.
Je ne sais pas dire non plus à quel niveau l’équilibre thermique entre la chaleur fournie à la cocotte et la chaleur perdue (par rayonnement, convection, chaleur latente des fumées) s’établirait. Il dépend de données manquantes dans l’énoncé.
Il n’est pas sûr qu’à ce niveau la pression atteinte soit suffisante pour rompre l’enveloppe. Cette pression étant la somme de la pression partielle de l’air et de la vapeur saturée….. ou peut-être de la vapeur surchauffée s’il ne reste plus d’eau à l’état liquide. Cela dépend des volumes d'air et d'eau initiaux, non précisés.

Mais peut-être allez vous nous l’apprendre ?

[Amanuensis]

je ne comprends plus rien. D'après les tables de la vapeur d'eau saturée, à 2.37 bars (plutôt 2.5 bars dans la table) j'ai une température de 127.41°C. Alors? une explication? Je pense que j'ai raté un truc.

Le point subtil est que la pression de vapeur saturante est la pression partielle de vapeur d'eau, et non la pression totale. 127° et 2.5 bars de pression totale correspond au cas où le gaz est de la vapeur d'eau pure ; si c'est mélangé avec de l'air (par exemple), faut appliquer la table à la pression partielle de vapeur d'eau, pas à la pression totale.

(C'est ce qui est dit, sur un ton différent, dans des messages précédents.)

[RomVi]

En réalité pour aller un peu plus loin il faudrait aussi prendre également en compte la solubilité de l'air dans l'eau en fonction de le température et de la pression et la teneur initiale de l'eau, l'effet peut être significatif selon les fractions initiales en présence.

[SULREN]

Re,

il faudrait aussi prendre également en compte la solubilité de l'air dans l'eau en fonction de le température et de la pression et la teneur initiale de l'eau

Oui ce n’est pas négligeable, surtout si les teneurs initiales sont élevées.

Au # 12 j’ai signalé :

PS : il faudrait tenir compte de l’air dissout dans l’eau initiale, qui en dégazant augmente la pression partielle de l’air.

On sait que la teneur de saturation en gaz diminue avec la température.

Mais quelle teneur initiale prendre ?
La quantité de gaz dans l’eau saturée en gaz est « assez impressionnante ».
A la pression atmosphérique normale de 1,013 bar abs, 1000 cm3 d’eau à 25°C peuvent contenir (sources EDF 1967) : 28,3 cm3 d’oxygène, 14,3 d’azote, et 759 de CO2.

Si notre cuisinière verse une eau gazeuse (le P.....r contient 7 g de gaz par litre) dans sa cocotte, elle augmente ses chances de devoir la remplacer.

[SULREN]

Correction d'un oubli:

On sait que la teneur de saturation en gaz diminue avec la température.

et qu'elle augmente avec la pression.

[phuphus]

Bonjour,

- Mais j’ai envisagé aussi le cas des orifices bouchés, correspondant à l'énoncé, en concluant à une d’élévation de la pression conduisant probablement à une fuite au joint, ou au pire à une explosion.

Si j'étais concepteur d'auto-cuiseur, je ferais en sorte que mes produits tiennent avec les puissances usuelles de foyers de plaques de cuisson jusqu'au régime permanent. Il existe un point pour lequel les pertes thermiques de l'auto-cuiseur vers l'environnement sont égales à l'apport de chaleur du foyer : on se prend une marge, et on vise l'intégrité de la cocotte.

[RomVi]

Bonjour,

Si j'étais concepteur d'auto-cuiseur, je ferais en sorte que mes produits tiennent avec les puissances usuelles de foyers de plaques de cuisson jusqu'au régime permanent. Il existe un point pour lequel les pertes thermiques de l'auto-cuiseur vers l'environnement sont égales à l'apport de chaleur du foyer : on se prend une marge, et on vise l'intégrité de la cocotte.

Dans ce cas tes autocuiseurs couteraient quelques milliers d'euros et pèseraient 100kg. La puissance de chauffe doit être forte pour monter en température rapidement, et plus faible pour atteindre l'équilibre entre la puissance injectée et les déperditions. Sur un cookeo par exemple ce rapport est d'environ 30.
Les autocuiseurs n'explosent pas de toute façon, ils sont équipés d'une soupape de sécurité, puis ci celle ci se bouche le couvercle fait office de seconde soupape en se déformant et en laissant s’échapper le surplus de pression.

[phuphus]

Bonjour,

merci pour l'info RomVi (lorsque j'utilise mon auto-cuiseur sur plaque à induction, j'ai plutôt un facteur ~4 entre la montée en température et le régime permanent).
Ceci dit, la norme NF EN 12778 semble envisager la destruction du corps, et je me vois mal investir une centaine d'euros pour voir les détails (réelle destruction due à une utilisation standard ou bien justement paragraphe spécifiant que cette destruction ne doit pas être possible via la déformation du couvercle ?).

https://www.boutique.afnor.org/norme...70442/fa045592

[RomVi]

Personnellement ça m'est arrivé 2 ou 3 fois de boucher la soupape pour avoir trop rempli la cocotte, et à chaque fois la vapeur sortait sur les cotés du couvercle. Ma cocotte est un modèle classique, avec une barre transversale qui fait office de ressort.

[SULREN]

Re,

Tout à d’accord sur le fait qu’il ne faut pas essayer d’améliorer cette sorte de « sécurité intrinsèque » par l’épaississement des parois.

Les brûlures par auto-cuiseurs sont généralement le fait de fausses manoeuvres :
- Couvercle mal fermé, s’ouvrant d’un coup, ou laissant échapper de la vapeur alors que la pression est normale.
Les fabricants ont maintenant amélioré le mécanisme de fermeture.
- Ouverture du couvercle par l’utilisateur avant d’avoir fait baisser la pression.
Cela n’est plus possible il me semble sur les modèles plus récents.
- Jet de vapeur s’échappant du joint alors que la pression est encore inférieure au nominal.
Là aussi les joints ont été améliorés.

Une démarche de prévention peut venir compléter ces améliorations techniques :
- Remplacement périodique du joint
- Test de la soupape de sûreté en appuyant tous les X mois sur la bille pour vérifier qu’elle n’est pas coincée
- Inutilité de faire shuinter très fort le clapet de régulation en chauffant très fort. On ne fait que produire plus de vapeur sans réellement augmenter la température (c’est vrai aussi sous une casserole).

PS Les fuites de vapeur saturée sont plus dangereuses que les fuites d’un gaz aux mêmes pression et température de départ. Dans le premier cas la fuite ne fait pas baisser rapidement la pression dans le récipient émetteur car l’ébullition de l’eau tend à compenser immédiatement cette baisse de pression. Bien plus d’énergie est donc éjectée.

Hors sujet, à supprimer si jugé sans intérêt:
Cette propriété a longtemps été exploitée dans l’industrie pour réaliser des accumulateurs de vapeur, sous la forme de ballons remplis d’eau chaude sous pression. Ils alimentaient le réseau vapeur et venaient compenser les déséquilibres momentanés entre production et consommation.
Mais en cas d’explosion ils devenaient, du même coup, une vraie bombe thermique.
L’amélioration de la dynamique des installations , entre autre par l’automatisation, a permis de s’en passer.
A méditer par les possesseurs de chauffe-eau à accumulation.

[phuphus]

Bonjour,

je voulais juste souligner dans #19 que si l'on va plus loin qu'une modélisation thermodynamique, il fallait tenir compte du comportement global (bilan thermique, résistance méca). Le fil a dérivé, mais les réponses sont là (même si Gloups13 ne s'est pas manifesté pour dire s'il avait en effet compris les réponses à sa question). A ce stade, pourquoi pas du HS...