Hygrométrie

La capacité hygrométrique de l'air en fonction de la température, mesure le rapport de mélange de la vapeur d'eau dans l'air.

La vapeur d'eau se liquéfie sur une paroi froide, asséchant l'air

L’hygrométrie est la branche de la météorologie qui concerne la mesure du taux d'humidité de l'air, c'est-à-dire la proportion d'eau à l'état gazeux présente dans l'air. Elle ne prend pas en compte l'eau présente sous forme liquide ou solide. Par métonymie, l’hygrométrie désigne la teneur en humidité de l’air.

Étymologie

« Hygrométrie » vient du grec hygrós signifiant « humide ». Celui-ci est suivi du suffixe « -métrie » caractérisant le fait de mesurer.

Définition

On définit trois types d'hygrométrie et chacun a sa mesure associée :

• spécifique (humidité spécifique) : la proportion d'eau à l'état gazeux (vapeur) dans un volume d'air humide, exprimée en unité de masse par volume ;
• relative (humidité relative) : l'humidité absolue par rapport à une valeur maximale, pour une température donnée, exprimée en pourcentage ;
• absolue (humidité absolue) : le rapport entre deux masses, celle de l'eau sous forme gazeuse contenue dans un volume d'air, et celle de ce volume d'air sec.

En météorologie, l'humidité relative (souvent appelée degré hygrométrique) fait partie des principales quantités relevées et modélisées. Elle se mesure avec un hygromètre, un psychromètre ou avec un thermohygromètre car température et humidité de l'air sont deux paramètres pour partie interdépendants.

Généralités

Les tables qui résument les propriétés physiques et thermodynamiques de l'air se rapportent à l'air sec, c'est-à-dire en l'absence de toute vapeur d'eau. En effet,

1. L'humidité de l'air est variable dans l'espace et dans le temps, à l'échelle de quelques heures voire moins (par exemple quand il pleut ou quand la rosée se forme) et non-uniforme à l'échelle de centaines de mètres, voire parfois du mètre de sorte qu'il est impossible de définir des propriétés standard de l'air ambiant. L'humidité de l'air est principalement influencée par la quantité d'eau disponible, la température et les courants atmosphériques.;
2. Les propriétés de l'air humide peuvent en dévier fortement, car la proportion de vapeur d'eau peut atteindre jusqu'à 4 % en volume dans des conditions météorologiques usuelles ; la portance de l'air, le transport de la lumière, des odeurs, de certaines molécules (dont certains parfums, hormones), la portée des sons, la transparence de l'air, l'acidité et la pollution de l'air, les halos ou la pollution lumineuse, etc. sont ainsi affectés par l'humidité de l'air. La vapeur d'eau est d'ailleurs un des gaz à effet de serre les plus importants ;
3. L'évaporation de l'eau des océans, des rivières et des nuages, le vent ainsi que la transpiration végétale et l'évapotranspiration sont sources d'augmentation ou de régulation de l'humidité de l'air. Dans la nature, tous ces facteurs dépendent pour tout ou partie de l'énergie solaire et du vivant. En milieu anthropisé ou confiné (maison, voiture, lieu de travail) l'eau-vapeur expirée par l'homme, l'eau émise par les cheminées et les pots d'échappement deviennent déterminantes pour expliquer les variations d'humidité de l'air. Faute d'évapotranspiration végétale, l'air urbain des villes denses est anormalement sec. Paradoxalement au-dessus de la mer ou d'un lac, même en zone tropicale l'air peut-être beaucoup plus sec que sous la canopée. Dans le désert l'air est extrêmement sec le jour, mais peut être humide la nuit ;
4. À quantité de vapeur d'eau constante, une diminution de température tend à augmenter l'humidité relative jusqu'à la saturation (100 % d'humidité relative) ; la température correspond alors à la température de rosée (la pression partielle de vapeur d'eau est alors égale à la pression saturante) ;
5. Les courants atmosphériques apportent de l'humidité dans les zones de haute atmosphère (régions sèches) ;
6. Les variations de l'humidité de l'air sont amorties par la présence de matériaux ad-ab-sorbants (plâtre, bois..) et par les couplages entre les échanges "vapeur d'eau / énergie" (évapotranspiration, vent de terre/vent de mer, formation de rosée et son évaporation).

En milieu naturel, la rosée et l'apparition très rapide de moisissures sur la matière organique morte sont des indicateurs d'humidité relative élevée.

En milieu confiné, une humidité relative élevée favorise les allergies ou pathologies induites par la présence d'acariens et de spores de moisissures. C'est un des éléments du phénomène dit de pollution intérieure. Inversement une humidité trop basse est facteur de déshydratation des muqueuses et d'empoussièrement également néfastes à la santé.

Les diagrammes enthalpiques

Données représentées

Un diagramme enthalpique, ou psychrométrique, regroupe les principales caractéristiques de l'air humide pour une pression atmosphérique donnée (en général celle au niveau de la mer, c'est-à-dire 1 013 hPa) :

• température de bulbe sec notée $\theta$ est la température donnée par un thermomètre sec, placé dans un courant d'air humide et protégé des rayonnements parasites (venant d'objets froids ou chauds comme le soleil).
• température de bulbe humide notée $\theta _{h}$ est la température de l'air circulant au-dessus d'une grande surface d'eau liquide dans un système calorifugé. C'est par exemple la température indiquée par un thermomètre placé dans un linge humide soumis à courant d'air.
• température de rosée notée $\theta _{R}$ est la température à laquelle un air humide est à la pression de vapeur saturante. À cette température l'air ne peut plus emmagasiner de la vapeur d'eau sans que celle-ci ne se condense.
• Humidité relative notée HR est le rapport entre la quantité d'eau présente dans l'air et la quantité maximale d'eau que l'air pourrait contenir à la même température. C'est aussi le rapport entre la pression de vapeur et la pression de vapeur saturante.

$HR={\frac {P_{v}}{P_{\text{v sat}}}}$

• humidité absolue ou rapport de mélange, noté Y, est la quantité d'eau contenue dans l'air, exprimé en gramme(s) de vapeur d'eau par kilogramme d'air sec.

$Y={\frac {m_{v}}{m_{\text{air sec}}}}={\frac {M_{v}.P_{v}}{M_{\text{air sec}}.P_{\text{air sec}}}}$

$Y=0,622.{\frac {P_{v}}{P-P_{v}}}$

• enthalpie spécifique symbolisée par la lettre h*. Cela correspond à l'énergie contenue dans le fluide dans un état donné (température, pression... fixés).

• L'enthalpie spécifique de l'air sec est donnée par :

$h_{a}^{*}(\theta )=c_{a}.\theta$

avec $c_{a}\approx 1,006\ \mathrm {kJ/(kg.K)}$ capacité calorifique de l'air pour des températures d'air comprises entre −20 °C et 50 °C.

L'enthalpie spécifique de la vapeur d'eau est donnée par :

$h_{v}^{*}(\theta )=L_{v}(0)+c_{v}.\theta$

avec $L_{v}(0)\approx 2500,8\ \mathrm {kJ/kg}$ chaleur latente de vaporisation et $c_{v}\approx 1,8266\ \mathrm {kJ/(kg.K)}$ capacité calorifique de la vapeur.

L'enthalpie spécifique de l'eau liquide est donnée par :

$h_{l}^{*}(\theta )=c_{l}.\theta$

avec $c_{l}\approx 4,194\ \mathrm {kJ/(kg.K)}$ capacité calorifique de l'eau liquide pour des températures d'air comprises entre 0 °C et 50 °C.

L'enthalpie spécifique de l'air humide est donnée par :

$h_{\theta ,Y}=h_{a}^{*}+Y.h_{v}^{*}$ si $Y<Y_{\text{sat}}$

$h_{\theta ,Y}=h_{a}^{*}+Y_{\text{sat}}.h_{v}^{*}+(Y-Y_{\text{sat}}).h_{l}^{*}$ si $Y>Y_{saturation}$

• volume spécifique, noté $\nu$ est le volume d'air humide par unité de masse d'air sec.

$\nu ={\frac {461,51.(0,622+Y).T}{P}}$

En connaissant seulement deux caractéristiques de l'air on peut retrouver l'ensemble des propriétés de l'air humide grâce au diagramme.

Lecture des diagrammes

Diagramme psychrométrique

Il existe deux types de diagrammes :

• Le diagramme de Carrier : $Y=f(\theta )$

La courbe de rosée est la courbe supérieure du diagramme (HR=100 %), les autres courbes d'humidité relatives ont la même allure. Les valeurs des enthalpies sont situées sur des droites obliques.

• Le diagramme de Mollier : $h=f(Y)$

Les isenthalpes sont sur des obliques bien que le titre du diagramme laisse penser que les isenthalpes soient des droites horizontales. Les températures se lisent sur des droites quasi verticales. Enfin la courbe de rosée est la courbe inférieure du diagramme.

Détermination simple de la température humide grâce à l’enthalpie

Théoriquement, il est nécessaire de connaître deux paramètres d’un air humide pour en déterminer toutes les caractéristiques. Il est, en réalité, assez complexe de déterminer une relation donnant la température de bulbe humide en fonction de l’humidité relative et de l’enthalpie de saturation de l’air humide. Une méthode d’approximation assez simple permet de déterminer cette relation :

En observant le diagramme de l’air humide, on peut s’apercevoir que toutes les isenthalpes et les isothermes (température de bulbes humides) sont quasiment parallèles entre elles. En faisant cette hypothèse, il est donc très simple de déterminer une relation entre la température de bulbe humide et l’enthalpie de saturation de l’air humide qui s’avérera exacte quelle que soit l’humidité relative de l’air.

Cette relation est la suivante :

$\theta _{h}=-0,0023\times h_{\theta ,Y}^{2}+0,5955\times h_{\theta ,Y}-5,9859$

avec :

$\theta _{h}$ en $\mathrm {^{\circ }C}$

$h_{\theta ,Y}$ en $\mathrm {kJ/kg}$

Cette formule empirique fonctionne pour des températures humides allant de -15 à 30 °C et pour une pression atmosphérique de 1 013,25 hPa. L’erreur générée par cette relation est inférieure à 2,5 % dans cette plage de température.

Voir aussi

Articles connexes

• Psychrométrie
• Humidité relative
• Humidité absolue
• Humidité spécifique
• Point de rosée
• Pression de vapeur saturante

Liens externes

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