Humidité d'un gaz comprimé avant et après détente.

[Wöler]

Bonjour,

J'aurais souhaité avoir un éclairage au sujet de l'humidité d'un gaz comprimé après détente de celui-ci.

Pour faire simple, j'ai un capteur capacitif d'humidité qui mesure l'humidité relative dans une autoclave étanche de capacité 500 mL.

Disons qu'à l'instant initial, j'y enferme l'air de la pièce dans laquelle je fais l'expérience et qui a une humidité relative d'environ 40% selon mon capteur.

Ensuite, j'injecte dans cet autoclave de l'air sec (spécifications : H2O<3ppm) via une bouteille jusqu'à obtenir 1 bar de surpression soit environ 2 bar absolu.

Après un certain temps d'attente (afin que le mélange gazeux s'homogénéise), je refais une mesure de l'humidité relative et je retrouve à quelque chose près la même humidité relative qu'au début soit 40%.

Etant donné que la quantité d'eau ne change pas (dilution avec du gaz sec) et que mon volume reste le même (500mL), ma pression partielle en vapeur d'eau n'est pas sensée bouger (même quantité d'eau dans le même volume), ce qui implique que l'humidité relative n'est pas sensée bouger non plus (car HR (%) = (P_vap/P_{vat sat})*100). Le capteur semble me le confirmer.

(J'ai réalisé cette expérience pour voir si l'humidité relative indiquée par mon capteur ne dérivait pas avec la mise sous pression car je dois réaliser des expériences en humidité sous au max 3 bar).

Jusqu'ici, tout va bien (me concernant en tout cas).

J'ai ensuite procédé à la détente jusqu'à pression atmosphérique de mon mélange gazeux (Passage de 2 bar absolu à 1 bar absolu en gros). Selon moi, l'humidité relative devrait être divisée par deux car je perds la moitié de ma vapeur d'eau (=pression partielle divisée par deux).

Or, ce n'est pas ce que j'observe. En effet, l'humidité relative affichée par mon capteur est certes inférieure à l'humidité relative de départ (40% sous 2 bar absolu) mais toujours supérieure à la moitié de cette humidité relative.

Au lieu de 20% (40/2), j'obtiens entre 30 et 35% d'humidité relative après détente.

Y-a-t-il une erreur dans mon raisonnement ? D'où peut provenir cet écart ?

J'ai un temps pensé que ça pouvait provenir de la détente adiabatique (baisse de température) et d'une hypothétique condensation de l'eau au niveau de la vanne d'échappement avec pour résultat son évaporation de nouveau dans le système après la fin de la détente. Seulement, pour limiter cet hypothétique effet, j'ai ouvert très finement la vanne de sorte que la pression baisse très lentement et j'obtiens le même résultat.

Ou alors, autre explication, c'est mon capteur qui ne fonctionne pas bien.

Si vous avez des explications à me fournir, je suis preneur.

En vous remerciant.

Cordialement.

Wöler
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[Fustigator]

Bonjour,

Etant donné que la quantité d'eau ne change pas (dilution avec du gaz sec) et que mon volume reste le même (500mL), ma pression partielle en vapeur d'eau n'est pas sensée bouger

Ben si.

Précisément, comme la quantité de vapeur d'eau ne change pas, la pH2O va grimper de la même manière que la pression globale.
Si la pH2O ne bougeait pas, avec la pression globale qui augmenterait, cela voudrait dire que la fH2O baisse.

[Wöler]

Bonjour,

Merci pour votre réponse avec laquelle je ne suis cependant pas en accord.


La loi de Dalton nous dit que :

P_i=x_i * P_tot avec P_i : pression partielle du constituant i et x_i : fraction molaire du constituant i.

(x_i = n_i/n_tot)

X_i à pression atmosphérique est donc deux fois supérieure à X_i après compression à 2 bar (n_i reste fixe et ntot est multiplié par deux). P_tot est multipliée par deux quant à elle, ce qui fait que Pi à pression atmosphérique et P_i après compression à 2 bar est fixe.

A mon sens, votre raisonnement serait valable pour une compression du mélange initial sans ajout de gaz sec. En gros si vous prenez un ballon de baudruche avec une certaine humidité dedans et que vous le comprimez dans vos mains, là effectivement la pression partielle de l'eau augmente car la fraction molaire reste identique alors que la pression totale augmente. Mais dans mon cas, le volume reste fixe et la mise sous pression se fait via l'ajout d'air sec (pas d'action mécanique sur le système par baisse du volume).

C'est en tout cas comme ça que je vois les choses.

[Fustigator]

B
X_i à pression atmosphérique est donc deux fois supérieure à X_i après compression.

Tout à fait exact; j'ai écrit n'importe quoi après avoir lu en diagonal et trop vite. Je n'ai pas percuté que vous rajoutiez de l'air sec.
Désolé.

J'interrogerais néanmoins ici le principe de fonctionnement du capteur.

Par exemple, quand on mesure la pO2, on utilise des capteurs qui mesurent directement cette grandeur et aucune ambiguïté n'est possible; ici, quel est le principe de mesure ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[phys4]

J'ai un temps pensé que ça pouvait provenir de la détente adiabatique (baisse de température) et d'une hypothétique condensation de l'eau au niveau de la vanne d'échappement avec pour résultat son évaporation de nouveau dans le système après la fin de la détente. Seulement, pour limiter cet hypothétique effet, j'ai ouvert très finement la vanne de sorte que la pression baisse très lentement et j'obtiens le même résultat.

Bonjour,
Excellente expérience, un hygromètre est aussi un capteur d'humidité.
Je me demande si l'hygromètre ne capte pas une part d'eau suffisante pour fausser le résultat dans un volume aussi petit qu'un demi litre.

Comme vous ne donnez pas la température, il ne m'est pas possible d'apprécier la quantité que représente un passage de 20% à 30% dans ce volume. Facile à calculer avec la température.
Vérifiez vous la température simultanément ?

[Sethy]

Petite suggestion : avez-vous pensez à "purger" l'appareil avec de l'air "sec" ?

Par exemple, après un cycle de mise sous pression à 2 bars, vous redescendez à 1,1 (pour être sûr que de l'air humide ne rentre pas) et vous remplissez à nouveau à 2 bars.

Autre solution, vous enfermez un volume d'air et vous y incorporez un dessicant (silicagel des dessiccateur par exemple).

En une nuit, l'humidité relative devrait être descendue en dessous de 10%.

Attention, vérifiez bien la plage de précision de l'appareil car les "simples" dispositifs électroniques des petites stations météo par exemple ne descendent pas en deçà de 30% et n'ont qu'une précision de l'ordre des 10% (j'en ai 3 et l'écart entre eux est de 8% environ).

[Wöler]

Bonjour,

Excusez ma réponse tardive mais j'ai refait d'autres manip' et réfléchis à vos remarque entre-temps.

J'en suis arrivé à la conclusion que mon capteur a un impact non négligeable sur mon système.

En effet, à l'état initial, j'ai par exemple 50% d'humidité à P_atm dans mon autoclave de 300mL.

J'y fais passer 300mL d'azote sec à un débit de quelques mL/min le tout agité avec un petit ventilateur à l'intérieur (passages de câbles électriques étanches) et je me retrouve avec une humidité d'environ 40% au lieu des 25% théorique.

J'ai donc fait un petit calcul afin de voir quelle quantité d'eau cet écart représentait.

# à 50% d'humidité à 20°C (j'ai un thermomètre dans mon système), cela me fait 11 690 ppm (j'ai utilisé un convertisseur humidité relative/ppm sur le net), le tout à P_atm.

# à 25% d'humidité, le convertisseur me donne environ la moitié : 5766 ppm.

# à 40% d'humidité, j'obtiens 9323 ppm.

En passant par l'équation des gaz parfaits PV=nRT

On trouve pour 25% d'humidité :

n_eau/n_total = 5766 *10^-6

n_eau= 5766*10^-6 * (PV/RT) = 5766*10^-6 * 0,01248 = 7,2 * 10^-5 mol

avec V=0,3L ; P=P_atm ; T=20°C (293 K)

m_eau = n_eau * M_eau = 7,2 * 10^-5 * 18 = 1,3*10^-3 = 1,3 mg

On trouve pour 40% d'humidité :

n_eau/n_total = 9323 *10^-6

n_eau= 9323*10^-6 * (PV/RT) = 9323*10^-6 * 0,01248 = 1,16 * 10^-4 mol

avec V=0,3L ; P=P_atm ; T=20°C (293 K)

m_eau = n_eau * M_eau = 1,16 * 10^-4 * 18 = 2,09*10^-3 = 2,1 mg

On a donc un écart d'environ 0,8mg d'eau.


Hypothèse : le capteur a initialement une humidité de 50% et relargue de l'humidité (0,8mg) avant de s'équilibrer de nouveau avec son environnement.

Pour rappel, il s'agit d'un capteur d'humidité capacitif.
Principe : Un polymère hydrophile coincé entre deux électrodes (condensateur) absorbe plus ou moins d'eau, ce qui fait varier la capacité du condensateur. Ce polymère est "super-absorbant". Connaissant la capacité, on peut connaître l'humidité relative.

Parmi les défauts de ces capteurs, est cité, la purge du capteur lors d'une baisse d'humidité de son environnement avec relargage d'humidité jusqu'au nouvel équilibre. Et autant dire que dans une autoclave de 300mL, une petite quantité d'eau suffit à bouleverser le taux d'humidité.
Cela me paraissait au début peu probable mais après avoir réalisé les calculs et éliminé toutes les autres hypothèses (mauvaise purge, gaz sec non réellement sec, capteur avec une précision trop approximative) et étudié plus en détails le capteur en question, j'en ai conclu que c'est lui qui impactait mon milieu.

En tout cas, merci pour vos remarques constructives.