Processus de condensation

introduction Introduction
En étudiant le rôle de la vapeur d'eau dans la thermodynamique de l'air atmosphérique, on a vu que la vapeur d'eau pouvait subir des changements de phase et donc se transformer en gouttes et cristaux de glace. On va maintenant décrire les différents processus de condensation à l'origine des nuages à l'aide de l'émagramme.

On considère une particule d'air humide contenant de la vapeur d'eau (donc non saturante) et dont le rapport de mélange est r (initialement inférieur à la quantité maximale de vapeur d'eau rs que peut contenir la particule d'air). Pour que la vapeur d'eau présente dans la particule se condense, il est nécessaire qu'elle atteigne la saturation correspondant à l'équilibre liquide-vapeur. La particule d'air sera alors caractérisée par: H = 100 % et r = rs.

Pour cela, plusieurs mécanismes sont possibles: un refroidissement isobare et une détente adiabatique peuvent faire diminuer rs; un apport de vapeur d'eau peut faire augmenter r; le mélange et la turbulence peuvent également créer de la condensation mais de façon plus marginale. Nous allons décrire ces différents processus.
 
Définition

émagramme: Diagramme thermodynamique permettant de décrire l'état thermodynamique de l'air troposphérique et d'analyser les transformations qu'il peut subir.

Définition

rapport de mélange: Il représente la masse mv de vapeur d'eau contenue par unité de masse d'air sec ma. C'est un rapport sans dimension physique qui est cependant exprimé en kg de vapeur d'eau par kg d'air sec. Etant la plupart du temps très petit devant l'unité, il est le plus souvent exprimé en g/kg. Son expression est la suivante:

En exprimant les masses en fonction des masses volumiques et du volume (mv = ρv V et ma = ρa V), r s'écrit également comme le rapport des masses volumiques:

En utilisant l'équation des gaz parfaits pour la vapeur d'eau et l'air sec (Mv = 18x10-3 kg mol-1 et
Ma = 28,96x10-3 kg mol-1):

on obtient l'expression suivante si l'on exprime la pression totale P en fonction des pressions partielles Pa de l'air sec et e de la vapeur d'eau: