Title: Prsentation PowerPoint
1(No Transcript)
2Un gaz qui se détend rapidement se refroidit.
Pneu qu'on dégonfle,
bombe de crème chantilly,
extincteur à CO2, etc.
3Inversement un gaz que lon comprime s'échauffe.
Pompe à vélo,
compresseur,
moteur, etc.
4Supposons que l'on isole une bulle d'air, et
qu'on lui fasse subir une ascension
au cours de la montée, elle va rencontrer des
pressions de plus en plus faibles.
Si lon suppose qu à tout instant, la pression
P à lintérieur de la bulle est égale à la
pression de lair environnant, la particule va se
détendre.
5Inversement, si l'on oblige la bulle à descendre
P T
elle rencontre des pressions plus fortes et donc
se comprime
Cette compression provoque son réchauffement.
P T?
6L'air étant mauvais conducteur de la chaleur, ces
phénomènes vont s'opérer sans échange thermique
entre la bulle et le milieu extérieur.
La température de l'air ambiant n'influera pas
sur le refroidissement ou le réchauffement de
l'air de la bulle.
Le phénomène est dit adiabatique .
7REFROIDISSEMENT PAR DETENTE
9
En montant, la bulle se détend
elle se refroidit d'environ
? 1 par 100 m .
Très exactement de 0,98 par 100 m.
8RÉCHAUFFEMENT PAR COMPRESSION
En descendant la bulle se comprime
elle se réchauffe d'environ
? 1 par 100 m.
14
91 par 100 m
est approximativement le taux de variation
verticale de la température au sein d une bulle
d air subissant un déplacement vertical
adiabatique.
Par abus de langage, on parle de gradient
adiabatique de l air non saturé.
- Cette valeur ne doit être confondue
- ni avec le gradient vertical de -0.65 par 100 m
de latmosphère standard, - ni avec le gradient vertical dune couche dair
brassée par la convection et dont le gradient
vertical est effectivement adiabatique.
10?
1000 m
5
0 m
11 Chapitre II Les principales transformations
de lair atmosphérique II-1 Détente adiabatique
de lair sec II-2 Phénomènes liés à la
condensation de la vapeur deau ? II-2-1 La
vapeur deau dans latmosphère Définitions
de lhumidité de lair II-2-2 la condensation
de la vapeur deau A Une analogie
parlante B Comment cela se passe-t-il dans
latmosphère ? C Humidité
relative, son expression en fonction du
rapport de mélange saturant D Notion de
chaleur latente II-3 Détente adiabatique de
lair saturé II-4 Stabilité et instabilité de
particules dair déchelle aérologique
12La vapeur d'eau est l'eau (H2O) sous forme
gazeuse. Elle est parfaitement invisible.
L'air le plus limpide et le plus sec contient
toujours une certaine quantité de vapeur deau.
13La buée qui s'échappe de la marmite aussi.
Les nuages, le brouillard etc., sont formés de
fines particules d'eau liquide (ou de glace).
14L'humidité est l'expression de la quantité de
vapeur d'eau contenue dans l'air.
Les principales grandeurs utilisées en
météorologie pour la caractériser sont
le rapport de mélange r,
lhumidité spécifique q,
et lhumidité relative U .
Comme nous le verrons un peu plus tard, ces
grandeurs peuvent être déterminées à partir de
la mesure de la température du point de rosée
ou de celle du thermomètre mouillé dun
psychromètre.
15Le rapport de mélange r
On pourrait définir le contenu de l air en
vapeur d eau, comme le rapport de la masse de
vapeur d eau au volume de l air qui la
contient, soit
Mais, pour une particule de masse unité (1 kg)
qui s élève en se détendant, cette définition
conduirait à une diminution de l humidité, sans
modification du contenu en vapeur d eau.
16En météorologie, pour éviter cet inconvénient, on
exprime plutôt lhumidité, en terme de rapport
de mélange r
En supposant quau sein dune particule dair
humide de masse m, il soit possible de trier
les molécules dair sec et celles de vapeur
deau,
on définit le rapport de mélange r comme la masse
mv de vapeur d eau rapportée à la masse ma de
l air contenue dans cette particule d air
humide, de masse totale m mamv.
mmamv
Comme la teneur en vapeur deau est toujours
faible (lt4 ), r est généralement exprimé en
grammes de vapeur d eau par kg d air sec.
17On utilise aussi parfois la notion d humidité
spécifique q .
L humidité spécifique, notée q, est la masse de
vapeur d eau mv rapportée à la masse m de la
particule d air humide (avec encore, m ma
mv).
mmamv
Comme la teneur en vapeur d eau est toujours
faible (lt4 ), r et q sont généralement très
proches en valeur numérique.
18Masse volumique de lair au voisinage du sol
- Avec
- une pression standard
- de 1013,25 hPa ,
- une température de 288 K (15C),
1m3 d air pèse 1,225 kg.
Sa masse volumique ? est donc de 1,225 kg/m3 .
Etau fait, combien pèse 1m3 deau ?
19Quelle quantité de vapeur deau dans ce volume ?
Habituellement, 1m3 d air contient
quelques grammes de vapeur d eau seulement !
- 25 à 30g à l équateur,
- une dizaine de grammes seulement, aux latitudes
moyennes.
Même si la vapeur d'eau n'est présente qu'en très
faible quantité dans latmosphère, elle y joue un
rôle considérable.
Il y a, en effet, beaucoup de m3 !!!
20Expression de r et de q en fonction des masses
volumiques ?v, ?a et ? de la vapeur deau, de
lair sec et de lair humide
Si V désigne le volume du mélange, (mais aussi
le volume occupé par l air sec d une part, et
la vapeur d eau d autre part, puisque chacun
de ces deux gaz occupe en fait la totalité du
volume),
On a ?v mv/V ?a ma/V et ? (ma mv)/V,
et l on écrira r ?v / ?a et q ?v/ ? .
Généralement, on considère une particule d air
humide de masse unité (m 1 kg) .
21Autre expression classique du rapport de mélange
l air atmosphérique peut être considéré comme un
mélange d air sec et de vapeur d eau.
22En première approximation, on peut admettre
que les propriétés de ce mélange obéissent aux
lois des gaz parfaits,
et, en particulier, aux lois de Dalton sur les
mélanges gazeux.
23Dans un volume donné, chacun des gaz se comporte
comme sil était seul .
En particulier, chacun d eux tend à occuper
tout le volume disponible.
- La pression de chacun deux (pression partielle)
- est celle qui correspond au volume considéré
et à - la température du mélange.
- (première loi de Dalton)
2) La pression totale P du mélange est égale
à la somme des pressions partielles de chacun des
gaz constituant le mélange.
(seconde loi de Dalton)
24Dans lair atmosphérique assimilé à un
mélange dair sec et de vapeur deau,
la pression atmosphérique P correspond à la somme
de la pression partielle de lair sec pa
et de la pression partielle de la vapeur d eau e
P pa e
On peut montrer que le rapport de mélange r
?v/?a précédemment défini peut aussi s exprimer
en fonction du rapport des pressions partielles
r 0,622 e/pa 0,622 e/(P- e)
Classique et importante relation qui permettra de
comprendre, un peu plus loin, la représentation
sur lémagramme de lhumidité dune particule.
25 Chapitre II Les principales transformations
de lair atmosphérique II-1 Détente adiabatique
de lair sec II-2 Phénomènes liés à la
condensation de la vapeur deau II-2-1 La
vapeur deau dans latmosphère Définitions
de lhumidité de lair II-2-2 la condensation
de la vapeur deau A Une analogie
parlante B Comment cela se passe-t-il dans
latmosphère ? C Humidité relative, son
expression en fonction du rapport de
mélange saturant D Notion de chaleur
latente II-3 Détente adiabatique de lair
saturé II-4 Stabilité et instabilité de
particules dair déchelle aérologique
26A Une analogie parlante ...
mais une simple analogie !
27Pour comprendre comment la vapeur deau
atmosphérique se condense pour former des nuages,
on peut prendre limage de la dissolution du sel
dans l'eau.
Mais attention ! il ne sagit que dune image
commode
car il ny a pas besoin dair pour que la vapeur
deau passe à létat liquide !
28- Dans une casserole deau à 15, versons lentement
du sel, tout en remuant. - Le sel commence par se dissoudre complètement.
2. Au bout dune certaine quantité de sel versé,
apparaissent des cristaux qui refusent de se
dissoudre.
Le mélange est saturé.
293. Portons leau à 30 le dépôt de cristaux
disparaît
il est même possible de rajouter du sel
30
jusquà ce quune nouvelle saturation soit
atteinte.
Pour chaque température, il est possible de noter
une valeur de saturation exprimée en grammes de
sel par litre deau.
30Inversement, partant dune solution à 60 tout
juste saturée, laissons refroidir.
Dès le début du refroidissement, des cristaux de
sel précipitent
à 30C, la quantité de sel ainsi rejetée sera
égale à lexcédent par rapport à la valeur de
saturation.
30
31La saturation peut être obtenue par deux moyens
soit par l'augmentation de la quantité de sel,
soit par diminution de la température.
32B Comment cela se passe-t-il en réalité dans
latmosphère ?
33La vapeur deau contenue dans lair obéit à des
règles comparables.
Mais avant de les énoncer, voyons comment se
comporte la vapeur deau prise isolément
34Si,dans un volume déterminé, vide d air, on
introduit de plus en plus de vapeur d eau, en
maintenant le température constante, on augmente
progressivement la pression e de cette
vapeur d eau.
On constate alors quil existe une valeur bien
déterminée es de la pression pour laquelle
commence à apparaître de l eau liquide.
e
Cette pression es est uniquement fonction de la
température de la vapeur deau.
35es est appelée pression de vapeur saturante
. Elle est uniquement fonction de la
température T de la vapeur d eau,
et lon note es es(T) .
Remarque en pratique, es est souvent notée
ew (pression de vapeur saturante par rapport à
leau liquide ) ou ei (pression de vapeur
saturante par rapport à la glace).
36Plus chaude est la vapeur deau, plus forte est
la valeur de la pression de saturation.
37- De la même façon, dans latmosphère,
- au delà de sa valeur de pression saturante, la
vapeur d'eau se condense. - Selon la température, elle se condensera
- sous forme liquide (gouttelettes)
- ou sous forme de cristaux de glace
- C'est ainsi que naissent
- la rosée,
- le brouillard,
- les nuages,
- la pluie,
- ou le givre,
- la grêle, etc.,
et la buée dans le regard des auditeurs
complètement saturés par une science aussi
complexe.
38Rapport de mélange saturant rs (ou rw)
A partir de lexpression r 0,622 e/pa
0,622 e/(P-e) du rapport de mélange,
on pourra définir le rapport de mélange
saturant rs (ou rw) par la relation
rs 0,622 es/pa 0,622 es/(P-es)
soit rs ? 0,622 es/P
car, dans latmosphère, es est toujours très
petit devant P.
39Donc, le rapport de mélange saturant rs
- est fonction
- de la température
- du mélange T (puisque es est fonction de la
température) - et
- de la pression atmosphérique
- (très voisine de P - es)
rs rs (T,P)
40- Voici,
-
- au niveau du sol,
- à la pression atmosphérique standard (1013,25
hPa), - quelques valeurs,
- exprimées
- en g de vapeur d eau
- par kg d air sec,
- du rapport de mélange saturant,
- en fonction de la température.
41Lorsque le rapport de mélange est saturant
et que la température diminue
la vapeur d'eau excédentaire se condense.
Ainsi à 20 C, lair contient au maximum
14,68 g de vapeur par kg.
Si sa température diminue jusquà 14C, il ne
peut plus en contenir que
9,96 g/kg .
42Dans ces conditions,
14.68 g - 9.96 g 4.72 g
de vapeur d'eau par kg d'air vont se condenser.
Des gouttelettes d'eau liquide vont apparaître.
Mais cette transformation ne pourra immédiatement
s'opérer qu'en présence de microscopiques
particules que l'on appelle
NOYAUX DE CONDENSATION
43Les noyaux de condensation sont constitués par
les impuretés contenues dans l'air (poussières,
pollens, cristaux de sel , pollutions diverses,
etc.).
La condensation peut également se produire sur
des objets froids (véhicules, constructions,
vitres, végétaux)
44De la même manière, pour une température donnée,
si la saturation a été atteinte, tout apport
supplémentaire de vapeur deau se traduit par
lapparition deau liquide.
Il n'y a pas d'évaporation possible.
45C Humidité relative son expression en
fonction du rapport de mélange saturant.
46La sensation physiologique d'humidité ou de
sécheresse nest pas seulement liée au contenu
de lair en vapeur deau.
Elle est en fait commandée par l'écart à l'état
de saturation
d'où la notion d'humidité relative.
47Quelle est l'humidité relative relevée
à Brest ? (t 8, r 6,4 g/kg)
48Humidité à Brest
(t 8, r 6,4 g/kg)
96,2
49Quelle est l'humidité relative relevée
à Dakar ? (t 36, r 20 g/kg )
50Humidité relative à Dakar
(t 36, r 20 g/kg)
U 51,6
51Chapitre II Les principales transformations de
lair atmosphérique II-1 Détente adiabatique de
lair sec II-2 Phénomènes liés à la condensation
de la vapeur deau II-2-1 La vapeur deau dans
latmosphère Définition de lhumidité de
lair II-2-2 la condensation de la vapeur
deau A Une analogie parlante B
Comment cela se passe-t-il dans
latmosphère ? C Humidité relative, son
expression en fonction du rapport de
mélange saturant ? D Notion de chaleur
latente II-3 Détente adiabatique de lair
saturé II-4 Stabilité et instabilité de
particules dair déchelle aérologique
52La notion de chaleur latente peut être expliquée
à laide dune expérience dans laquelle un
morceau de glace est progressivement réchauffé.
Au cours de ce réchauffement l'eau passera
successivement,
de l'état solide à l'état liquide
puis de l'état liquide à l'état gazeux.
53-18
1. La glace est exposée à un rayonnement constant.
2. La température sélève progressivement de -18
à 0.
4. elle reste constante, et égale à 0, jusquà
ce que la dernière particule de glace soit fondue.
3. La glace commence à fondre, la température se
stabilise à 0.
545. Dès que la glace est fondue, la température
augmente à nouveau.
6. À 100, lébullition commence.
7. Pendant lébullition la température reste
égale à 100.
8. Et ce, jusquà évaporation complète
au delà, cest la température de la vapeur qui
augmente, et la casserole qui fond !
55De cette expérience, on déduit
quil est très important de surveiller la cuisson
des nouilles
quune quantité très importante de chaleur est
utilisée, non pas pour augmenter la température
dun corps mais pour contribuer à ses changements
détat.
Cette chaleur est appelée chaleur latente de
changement détat.
56D. Cruette temps de fusion 1000 Wx?t 80 cal x
4,18 x 1000g ?t 334,4 sec 5 57 temps
d évaporation 1000W x ?t 600 cal x4,18 j x
1000g ?t 2 508 sec 41 48 Chauffage de
la glace 1000 W x ?t 1000 g x0,5cal x 4,18 J x
18 ?t 37,62 sec Chauffage de l eau 1000 W x
?t 1000 g x 1ca l x 4,18 J x 100 ?t 418 sec
7
Chaleur, température et changement détat
Vaporisation 42
100
température
De 0 à 100 7
38 sec
0
7
14
56
Temps de chauffe
Fusion 6
-18
- Conditions dexpérience
- 1kg de glace
- Puissance de chauffe 1000W.
De 18 à 0 38 s
57 Pour transformer une certaine quantité deau à
létat de vapeur (100), de létat de glace
(-18), il faut consacrer environ
- 1 de lénergie pour élever la température de la
glace, de 18 à 0C, - 10 pour transformer la glace en eau liquide,
- 13 pour passer leau de 0 à 100,
- 76 pour transformer leau liquide en vapeur
d eau.
Les chaleurs latentes de fusion et de
vaporisation consomment donc, dans cet exemple,
86 de lénergie fournie.
58Inversement lors du passage
- de létat gazeux à létat liquide,
- de létat liquide à létat solide,
la chaleur latente est restituée.
Chaleur de condensation chaleur de vaporisation
Chaleur de solidification chaleur de fusion
59Reprenons l'expérience de la bulle mais cette
fois avec de l'air saturé
Z2
Un refroidissement va être constaté comme avec de
l'air sec
mais
60La condensation de vapeur va libérer de la
chaleur latente (chaleur de condensation).
La température finale résulte
d'un refroidissement par détente,
et de la récupération de chaleur de condensation.
61DETENTE avec condensation
12
15
-6
3
La détente fait perdre
? 1 par 100 m.
En admettant que la condensation apporte
? 0.5 par 100 m,
le refroidissement ne sera que de
15
? 0.5 par 100 m.
62- Ce calcul est fait en supposant que
- toute leau condensée est éliminée au fur et
- à mesure de son apparition,
- et que
- la chaleur latente de condensation est
uniquement utilisée pour réchauffer la masse
dair sec contenue dans la particule considérée. - (On néglige donc la quantité deau condensée et
- la quantité de vapeur d eau contenues
- dans cette particule).
Le refroidissement ainsi calculé est appelé
détente pseudoadiabatique .
63dans les conditions de l expérience décrite
précédemment,
? 0.5 par 100 m
est le taux de décroissance verticale de la
température au sein d une particule d air
saturée soulevée adiabatiquement. On parle de
gradient pseudoadiabatique de l AIR SATURÉ.
64- Il ne faut le confondre
- ni avec le profil vertical des températures dans
l'atmosphère standard (0.65 par 100 m), - ni avec le gradient adiabatique de l'air non
saturé - (? 1 par 100 m).
Contrairement à ce dernier, il nest pas
constant, mais varie, au contraire, en
fonction de la température et de la pression.
65Gradient adiabatique saturé en C par km,
en fonction de la température et de la pression.
66?
?
1000 m
5
10
0 m
67Selon que l'air est sec ou saturé, sa température
à l'issue d'une ascension pourra être très
différente.
Pour une particule saturée à la température et à
la pression initiales de 15 C et de 1000 hPa, la
différence est d'environ 5 pour 1000 m, jusquà
laltitude de 3000 m.
La différence est également sensible par rapport
à l'air ambiant.
Ces phénomènes sont à l'origine de la stabilité
ou de l'instabilité de l'air et donc des
mouvements convectifs.
68 Chapitre II Les principales transformations
de lair atmosphérique II-1 Détente adiabatique
de lair sec II-2 Phénomènes liés à la
condensation de la vapeur d eau II-2-1 La
vapeur deau dans latmosphère Définition
de lhumidité de lair II-2-2 la condensation
de la vapeur deau A Une analogie
parlante B Comment cela se passe-t-il dans
latmosphère ? C Humidité
relative, son expression en fonction
du rapport de mélange saturant D Notion de
chaleur latente II-3 Détente adiabatique de
lair saturé II-4 Stabilité et instabilité de
particules dair déchelle aérologique
69En Physique, on dit qu'un objet est en équilibre
stable,
lorsque, écarté de sa position déquilibre,
il tend à y revenir de lui-même, en général après
une série doscillations.
70On dit qu'un objet est en équilibre
instable, lorsque, écarté de sa position
d'origine, il tend à s'en écarter encore plus.
71On dit qu'un objet est en équilibre
indifférent, lorsque, écarté de sa position
d'origine, il conserve sa nouvelle position.
72Une particule d'air, peut dans certaines
conditions, être en équilibre
stable,
instable,
ou indifférent,
qualités qui rendent possible ou non
la convection.
73Stabilité et instabilité en atmosphère standard
Z (m)
à 500 m, la particule est plus froide, donc plus
lourde que lair environnant elle a tendance à
redescendre à un niveau où sa température sera
égale à celle de lair environnant.
L'air sec est plutôt stable
L'air saturé est potentiellement plus instable
que lair sec.
74Les gradients adiabatiques ou pseudo-adiabatique
étant connus, c'est le profil vertical des
températures qui déterminera la stabilité ou
l'instabilité de l'atmosphère.
L'atmosphère standard n'ayant qu'une valeur
statistique, un sondage sera donc quotidiennement
nécessaire.
75Stabilité et instabilité en atmosphère réelle
Z (m)
Air non saturé
9h
11h
13h
15h
2000 m
1750 m
375 m
76Stabilité et instabilité en atmosphère réelle
Z (m)
Air se saturant
13h
1750 m
77Stabilité et instabilité en atmosphère réelle
Z (m)
13h
15h
78FIN du Chapitre 2