GENERALITES ET ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE

Dans ce premier chapitre nous nous limitons aux notions de base sur l’ébullition qui nous seront utiles pour ce travail de PFE publié sur https://www.clicours.com/. Nous présentons tout d’abord, de façon simplifiée, les aspects thermodynamiques. Nous décrivons ensuite les deux modes de nucléation, homogène et hétérogène. Nous examinons les conditions pour qu’une bulle puisse être générée ainsi que les mécanismes de formation d’une bulle sur un site. Puis nous décrivons la courbe d’ébullition en vase. Enfin une étude bibliographique est réalisée pour présenter quelques résultats sur l’ébullition obtenue sur des surfaces simples conçues pour analyser de façon fondamentale le phénomène d’ébullition. Pour expliquer la formation de bulles, il est d’abord nécessaire d’examiner le comportement d’une masse donnée d’une substance pure, en fonction de la pression, de la température et du volume massique. Ce comportement est décrit par le diagramme d’équilibre de la substance. Le diagramme d’équilibre liquide-vapeur d’un fluide pur, pression en fonction du volume massique, est représenté sur la figure 1.1. Ce diagramme comporte trois zones : la phase liquide stable pour des volumes massiques faibles (représentée en bleu sur la figure 1.1), la phase vapeur stable obtenue pour des volumes massiques plus élevés (représentée en blanc), la phase supercritique (en vert) obtenue au-delà de l’isotherme critique. La phase solide n’est pas représentée sur la figure 1.1. Les zones stables liquide et vapeur sont séparées par une zone hétérogène à deux phases liquide-vapeur (en beige et jaune) délimitée par la courbe de saturation. La courbe de saturation du côté liquide (en violet) s’appelle la courbe d’ébullition, la courbe de saturation du côté vapeur (en rouge) s’appelle la courbe de rosée. Les deux courbes de saturation se rejoignent au point critique C de la substance pure considérée. Sur ce diagramme sont représentées différentes courbes isothermes (en marron). Au point critique passe l’isotherme critique Tc. Pour des températures T inférieures à la température critique, les courbes isothermes traversent la zone hétérogène liquide vapeur.

La courbe de saturation peut être déterminée en suivant une isotherme de la façon quasi-statique suivante (voir figure 1.1). Une éprouvette étanche renferme une masse donnée de liquide sous pression à la température T < Tc (point A). Sa température est maintenue constante. Le piston est soulevé, ce qui diminue la pression et augmente le volume massique. Juste après le point B, une bulle de vapeur apparaît en partie haute de l’éprouvette. Du point B au point G, la proportion de vapeur s’accroît au détriment de celle du liquide qui diminue. Durant cette phase (segment BG), la pression reste constante : elle correspond à la pression de vapeur saturante de la substance à la température T. L’isotherme présente alors, dans la représentation de Clapeyron, un palier horizontal. Au-delà de G, l’éprouvette est entièrement remplie de vapeur. Ainsi, tant que les phases liquide et vapeur coexistent (zone de saturation) la pression et la température sont liées l’une à l’autre. La température correspondante s’appelle la température de saturation à la pression p considérée. Dans certaines conditions (fluide extrêmement pur, éprouvette à paroi extrêmement lisses, etc.) un retard au changement de phase peut être observé. On obtient alors des états métastables BD et GF. La courbe isotherme peut se prolonger de B à D, sans apparition de la phase vapeur. A température constante, le point D est la plus faible pression qui peut être obtenue sans faire apparaître la phase vapeur. Les déplacements de type BM (voir figure 1.1) selon une isobare p0 de la température de saturation T0 à la température de surchauffe maximale Tl sont donc possibles. A pression constante, le liquide est dit dans un état surchauffé s’il se trouve dans un état métastable, c’est-à-dire son état est compris entre les points B et M. De même, coté vapeur, la vapeur pourra être sur-saturée à pression constante.