La molécule d’eau, de formule , est le constituant essentiel de l’eau pure. Celle-ci contient également des ions résultant de l’autoprotolyse de l’eau selon l’équation d'équilibre : H + OH (ou 2 HO + OH). L’eau pure n’est pas présente dans la nature et doit être obtenue par des processus physiques.
L’eau à pression ambiante (environ un bar) est gazeuse au-dessus de , solide en dessous de et liquide entre les deuxEn raison des retards à la nucléation on peut rencontrer de l'eau liquide en dessous de (en surfusion) ou au-dessus de , comme de la vapeur d'eau en dessous de , mais seulement de façon transitoire (en équilibre métastable). ; les autres composés proches ou apparentés (sulfure d’hydrogène, ammoniac et méthane) sont tous gazeux même à des températures bien plus basses.
Physique
Propriétés générales
vignette|gauche|300px|Diagramme de phase de l’eau, montrant l’état de l’eau pure en fonction de la température et de la pression.
L’état solide de l’eau est la glace ; l’état gazeux est la vapeur d'eau.
L’état de l’eau dépend des conditions de pression et de température . Il existe une situation unique (,) dans laquelle l’eau coexiste sous les trois formes solide, liquide, et gazeux ; cette situation est appelée « point triple de l’eau », elle a lieu à une température de () et une pression de . Les unités de température (degrés Celsius, kelvin) sont définies en prenant ce point triple de l’eau comme référence.
Un point critique liquide-liquide est prévu théoriquement dans le domaine de l'eau surfondue, et observé expérimentalement à ..
La vitesse du son dans l’eau est de dans les conditions normales de température et de pression.
La conductivité électrique de l'eau pure à est très faible : . L'eau pure est donc considérée comme un isolant électrique..
La masse d’un litre d’eau à la température de était la première définition du kilogramme. Par approximation, on prend pour masse volumique de l’eau dans les conditions normales la valeur de , une tonne par mètre cube ou encore un kilogramme par litre ().
La capacité thermique massiqueAnciennement chaleur massique ou chaleur spécifique. de l’eau est de dans les conditions normales de température et de pression. L’eau était utilisée comme étalon de chaleur dans d’anciens systèmes d’unités : la calorie (et la frigorie) quantifiait la chaleur à apporter pour augmenter d’un degré Celsius la température d’un gramme d’eau : soit .
L’eau est pratiquement considérée comme un fluide incompressible dans la plupart des applications. Son coefficient de compressibilité est de .
+ Quelques propriétés de l’eau en fonction de la température () Massevolumique() Capacitéthermique massique() Viscosité() Pression de vapeursaturante(bar) Enthalpie devaporisation() Conductivitéthermique() 0 0,569 10 0,587 20 0,604 30 797,7 0,618 40 653,2 0,632 50 547,0 0,643 60 466,5 0,654 70 404,0 0,662 80 354,4 0,670 90 314,5 0,676 100 281,8 0,681
+ Température d’ébullition de l’eau en fonction de l’altitude Altitude (m) Pression (atm)De combien la pression diminue-t-elle avec l’altitude ?, sur exergie.free.fr. (°C) 0 1,00 100 (Mont Blanc) 0,547 83,9 (Everest) 0,311 70,2 0,063 36,8
À environ, l’eau entre en ébullition à la température du corps humain : c’est une barrière infranchissable pour l’humain sans dispositif de pressurisation (vêtement à pressurisation partielle, scaphandre, ou cabine pressurisée).
L'eau comme fluide thermodynamique L'eau est un fluide thermodynamique d'usage courant, efficace et économique« Properties of Water and Steam in SI-Units », 1969, prepared by Ernst Schmidt, Springer, Verlag Berlin Heidelberg New York, R. Oldenburg München.. L'eau a une densité maximale de (soit à l'origine la définition du kilogramme) ; exactement à . L'eau a la capacité thermique à pression constante la plus élevée de tous les liquides ( soit à ). Les océans sont de bons accumulateurs de la chaleur. L'eau est stable en température jusqu'à une valeur élevée autorisant son usage comme fluide de travail dans les cycles thermodynamiques classiques. L'eau est stable sous rayonnement dont le rayonnement neutroniqueEn réacteur à eau pressurisée, on observe une radiolyse au passage de l'eau dans le cœur du réacteur ; on limite l'effet corrosif de l'oxygène naissant en fonctionnant avec un excès d'hydrogène dissous dans l'eau.. L'eau a la tension superficielle la plus élevée de tous les liquides ( à ) à l'exception du mercure ; dans l'air humide, la formation des gouttelettes est facilitée ; dans un tube capillaire, l'eau monte ainsi que la sève dans les arbres. L'eau a la chaleur latente d'évaporation la plus élevée de tous les liquides ( soit à ) ; donc l'effet réfrigérant de la transpiration est efficace. L'eau a une chaleur latente de fusion élevée ( soit ). L'eau a une très faible conductivité thermique ( à ).
L'eau est transparente à la lumière visible, ainsi les organismes aquatiques peuvent vivre car la lumière du soleil peut les atteindre ; elle est cependant opaque au rayonnement infrarouge absorbé par l'hydrogène, l'oxygène et leur liaison.
+ Caractéristiques thermodynamiques de l'eau, commentées Grandeurphysique Commentaire Corrélation Masse volumique La masse volumique de l'eau diminue avec la température et augmente un peu avec la pression. Une modélisation linéaire donne de bons résultats, dès lors qu'on ne se trouve pas au voisinage de la saturation. Boite déroulante et Infobox Viscosité dynamiqueLa viscosité dynamique de l'eau varie fortement dans la gamme de température (plus d'un facteur 6). Toute modélisation ou essai doit tenir compte de ce phénomène comme les maquettes testées en analogie de Reynolds. Boite déroulante Conductivité thermiqueLa conductivité thermique de l'eau augmente avec la température jusque vers et diminue ensuite. Elle augmente avec la pression. Elle varie cependant assez peu et une interpolation linéaire sur des plages de température et pression d'une centaine de degrés Celsius et de bars donne des résultats corrects. Boite déroulante Capacité thermique à pression constanteLa capacité thermique massique de l'eau est de , à pression normalePierre Rapin et Patrick Jacquard, « Aide-mémoire formulaire du froid », , Dunod, 2010, .. Elle est largement constante aux basses températures et proche de , elle augmente régulièrement avec la température et baisse un peu avec la pression. Il est possible de modéliser correctement l'enthalpie de l'eau liquide de façon linéaire dans de larges plages de température et pression dès lors qu'on ne s'approche pas à moins de des conditions de saturation. augmente au voisinage de la saturation et prend une valeur très grande (théoriquement infinie) au point critique de l'eau. Boite déroulante et Infobox Pression de vapeur saturantesatLa formule de Duperray fournit une bonne approximation dans la gamme de température entre et . Il est commode d'améliorer un peu cette formule, la boite déroulante donne une corrélation de ce type. Boite déroulante et Infobox Masse volumique de la vapeurDes conditions normales jusqu'à - , la masse volumique de la vapeur saturée n'est guère plus élevée que celle du gaz parfait (moins de 5 %). Au-delà de et jusqu'à , la relation simpliste empirique : = sat/2 donne un résultat par valeurs inférieures à mieux que 4 % ( en et sat en bar). En dehors du voisinage du point critique, la vapeur surchauffée se comporte comme un gaz parfait triatomique dès une vingtaine de degrés Celsius de surchauffe. Boite déroulante Enthalpiede la vapeur saturéeDans une large gamme de pressions (de ), l'enthalpie de la vapeur saturée est constante au , soit environ . Boite déroulante
Propriétés nucléaires L'eau légère présente une section efficace microscopique totale (2 ⋅ hydrogènes + 1 ⋅ oxygène) de aux neutrons thermiques. L'eau est plus capturante que l'eau lourde car le tritium formé par capture d'un neutron par le deutérium est un nucléide instable tandis que le deutérium formé par capture d'un neutron par le protium est stable.
+ Formulation des caractéristiques thermodynamiques de l'eau Grandeur physique Corrélation Commentaire Capacité thermique à pression constante
avec en , en °C et en bars absolus ; applicable de 1 à et de .
Test : à et , = ; à et , = (valeurs calculées). Non aisément intégrable. Masse volumique de l'eau liquide
avec en , en °C et en bars absolus ; applicable de et de .
Test : à et , = ; à et , = , valeurs calculées.Rassemble les trois corrélations données dans l'Infobox. Le représente la masse volumique à ; le est un correctif de pression. Conductivité thermique de l'eau liquide
avec en , en °C et en bars absolus ; applicable de et de . Le donne la conductivité à ; le (noté « ») est un correctif fonction de la pression. Viscosité dynamique de l'eau liquide
avec en °C, en bar et en ; applicable de et de .
Test : à et , = ; à et , = (valeurs calculées). 1/ évolue au linéairement avec la température. est un correctif fonction de la pression. améliore le résultat entre et où la viscosité varie fortement. Pression de vapeur saturantesat avec sat en °C et sat en bar ; applicable de . Corrélation dérivée de la formule de Duperray, donne un résultat à moins de 1 %. Pression de vapeur saturantesat avec sat en °C et sat en Pa ; applicable de . Corrélation dérivée de la formule de Dupré. Non aisément inversable. Température de vapeursaturantesat
avec sat en °C et sat en bar ; applicable de . Corrélation pratique, non aisément inversable. Masse volumique de la vapeursaturante avec en et en bar ; applicable de 5 à . Test : à , = ; à , = (valeurs calculées).
avec en et en °C ; applicable de .
Test : à , = ; à , = (valeurs calculées). Rappelle la relation empirique simple = /2 applicable entre . Enthalpiede la vapeur saturée avec en et sat en °C ; applicable de .
+ Valeurs des caractéristiques thermodynamiques de l'eau Cond. Temp. et Press. Masse volumiq. () Viscos. dynam. () Conduc. therm.() Capac. therm. à press. const.() Press. de vap. satur. (bar) Enthalp. du liq.() Enthalp. de la vap.() Chaleur latented'évap.() Nb dePrandtl Commentaire1 bar 999,80 1,750 0,569 4,217 12,971 bar 999,80 1,750 0,569 4,217 0,00 12,97 Point triple de l'eau.500 bar 1,544 4,001 s. o. 65,4 s. o. s. o. 10,074 Le fond des océans.1 bar 999,975 16,716 11,49 La densité maximale aux conditions ordinaires.1 bar 998,30 1,000 0,604 4,203 84,0 6,959 Eau à température et pression ordinaires.1 bar 988,04 0,544 0,643 4,181 209,3 3,5371 bar 958,13 0,279 0,681 4,210 419,06 1,725 L'eau bout à sous une atmosphère. 75 bar 869,19 0,670 4,463 15,549 854,85 0,90372 bar 832,18 0,644 4,648 27,72 988,89 0,849 Eau alimentaire des GV d'un REP. 155 bar 781,49 0,102 0,607 70,218 0,833155 bar 753,65 0,644 5,191 70,218 0,777 Eau à l'entrée du cœur d'un REP. 155 bar 726,69 0,559 5,483 85,927 0,789 155 bar 716,66 5,626 91,509 0,921 Eau dans le cœur d'un REP. 155 bar 671,11 117,44 1,052 Eau à la sortie du cœur d'un REP. 155 bar 651,17 0,491 7,147 128,63 1,173 155 bar 594,036 s. o. 128,63 969,55 s. o. Eau dans le pressuriseur d'un REP. 221,20 bar 315,5 0,045 0,238 ∞ 221,20 0,0 ∞ Point critiquede l'eau.
Propriétés liées à la vie terrestre Certaines des caractéristiques de l’eau font d’elle une molécule remarquable, aux particularités qui ont permis à la vie sur Terre de se développer. Ces caractéristiques, surtout liées à sa nature dipolaire, sont explicitées dans les chapitres qui suivent. Dans les phases condensées (solide, liquide) de l’eau, ses molécules ont une forte cohésion entre elles de par les liaisons hydrogène, ce qui fait que ses phases condensées sont « difficiles » à évaporer ; l'eau a une température d’ébullition particulièrement élevée pour une molécule de cette masse molaire. Cela permet à une importante phase liquide d’exister aux températures connues sur Terre, phase liquide indispensable à la vie telle que nous la connaissons. De même, ses propriétés de solvant « doux » permettent à un très grand nombre de réactions biochimiques de se produire.