Dans le domaine de la chimie, les notions de vapeur saturée et sèche jouent un rôle fondamental non seulement dans des problématiques purement théoriques, mais aussi dans leurs applications directes au secteur industriel.
Tout d’abord, pour mieux comprendre la différence entre ces deux notions, il est bon de rappeler la définition précise de la vapeur d’eau.
L’eau, ainsi que la matière au sens physique le plus général, peuvent se trouver dans différents états : les plus « fréquents, du moins en pratique, sont l’état solide (dans le cas de l’eau, la glace), l’état liquide et l’état aériforme. La vapeur d’eau correspond précisément à ce dernier état.

Cependant, cela ne signifie pas qu’il n’existe pas de relations entre les différents états de la matière, ni que chacun de ces états se trouve toujours dans les mêmes conditions identiques. En effet, si un matériau est soumis à un certain changement de pression et/ou de température, ce que l’on appelle une transition de phase peut se produire. De cette manière, de nombreuses liaisons chimiques qui lient les molécules du matériau considéré seront rompues (par exemple lors du passage du solide au liquide) ou créées (comme lors du passage du gazeux au liquide). C’est précisément ce réassemblage moléculaire qui constitue la différence cruciale entre les différents types d’états et de sous-états.

Prenons donc un exemple pour introduire l’idée de vapeur saturée. A la pression de 1 atmosphère (environ 101325 Pascal), soit la pression qu’exerce l’air avec son poids au niveau de la mer et à une température de 0°C, l’eau bout à 100°C. Cela signifie qu’à cette température, les molécules d’eau qui sont à l’état liquide commencent à rompre leurs liaisons chimiques pour se transformer en vapeur d’eau. Cependant, une transformation chimique qui entraîne un changement aussi radical ne se produit évidemment pas d’un seul coup. Le procédé nécessite une étape intermédiaire : la température doit rester fixée, au moins pour une courte durée, à 100°C. Lorsque la température est maintenue constante à 100°C, l’eau se trouve exactement entre deux états, liquide et gazeux, et les molécules qui doivent rompre les liaisons sont en nombre égal à celles qui doivent en créer de nouvelles. Cet état particulier de l’eau est appelé vapeur saturée .

Il en est de même dans le cas général, pas seulement lorsque la pression est fixée à 1 atmosphère. La seule précaution à garder à l’esprit, dans une telle situation, est que la température d’ébullition de l’eau change (généralement la différence est minime, sinon à des altitudes assez élevées ou, bien sûr, dans des endroits où la pression est contrôlée si différente) .

Or, nous avons observé que cet état à mi-chemin entre liquide et gazeux donne naissance à un certain type de vapeur, celle saturée, qui en elle-même garantit de nombreux avantages (comme il sera expliqué plus loin, sa température élevée permet l’élimination des bactéries. ). Cependant, il est possible d’améliorer le degré de précision de notre analyse et de distinguer deux autres types de vapeur saturée :

  • vapeur saturée sèche (souvent abrégée en vapeur sèche);
  • vapeur saturée humide (souvent abrégée en vapeur humide).

La distinction entre ces deux étapes est due à la présence ou à l’absence de « gouttelettes » : comme l’expérience l’enseigne, par exemple, la vapeur d’une marmite produit de petites gouttes qui enrobent la matière, comme cela se produit avec le brouillard. L’apparition de ces gouttes dénote la présence de la quantité maximale de liquide (c’est la partie de vapeur saturée qui contient les molécules qui se préparent à créer des liaisons et à rester à l’état liquide), et pour cette raison on l’appelle vapeur humide. L’autre étape, en revanche, ne produit pas de gouttelettes et représente la partie restante des molécules. C’est de la vapeur sèche.

Il existe également une autre phase qui peut être utile dans le secteur industriel, c’est celle de la vapeur surchauffée. Contrairement aux précédentes, cette vapeur est obtenue dans un état de non-équilibre : lorsque la température est considérablement augmentée et que le point d’ébullition est dépassé, il n’y a plus de liquide à vaporiser et on est dans une sorte de ‘décrochage’.

L’isotherme est le nom donné à la courbe qui représente les transformations thermiques se produisant dans un plan comme celui de la figure, où les abscisses représentent le volume V et les ordonnées, en fonction de V, représentent la pression P. Le plan au-dessus est souvent appelé plan de Clapeyron ou simplement diagramme volume-pression.

Applications vapeur saturée et sèche pour le nettoyage, le dégraissage et la désinfection

Commençons par les avantages de la vapeur saturée sèche par rapport à la vapeur normale et humide. L’application de vapeur sèche, grâce à sa température élevée, permet d’éliminer les bactéries présentes sur une surface (en effet, les seules bactéries capables de vivre à des températures élevées sont appelées thermophiles, et elles ne peuvent survivre qu’à proximité de volcans ou similaires domaines). Cela garantit une désinfection en profondeur qui, combinée au taux d’humidité de la vapeur sèche, implique un nettoyage en profondeur. On pourrait dire que les particules de saleté « flottent » presque si elles entrent en contact avec la vapeur sèche, ce qui facilite leur élimination. La pression optimise également le processus et améliore les performances.

A l’opposé, la présence volumineuse de liquide dans la vapeur humide rend son application au nettoyage des surfaces peu utile. Il s’ensuit donc que, d’un point de vue hygiénique, l’utilisation de la vapeur sèche est fondamentale (surtout ces dernières années, depuis l’arrivée du coronavirus).

La vapeur au sens général, d’autre part, n’a pas une température suffisamment élevée pour le but, et donc elle aussi est inefficace. Une conclusion similaire reste valable dans le cadre de la vapeur surchauffée qui, bien que très utile pour effectuer des sauts thermiques dans de nombreuses machines, ne garantit pas des résultats optimaux du point de vue analysé.

En fin de compte, la discussion ci-dessus montre que la vapeur sèche est nettement supérieure en termes d’assainissement et de nettoyage par rapport aux deux autres états. Par ailleurs, il est important de souligner un autre avantage de la vapeur sèche : elle ne pollue pas et consomme peu. En effet, le prélavage, le lavage et le rinçage d’un cycle classique se terminant par la désinfection sont intégrés à la phase de nettoyage à la vapeur sèche, réduisant ainsi les déchets. En termes numériques, la machine hydrojet traditionnelle consomme entre 1500 et 2000 litres d’eau par heure, alors que le générateur de vapeur n’en consomme que 10. Les avantages, également sur ce front, sont évidents.

FONTI:
[1] William D. Wise (2005). ‟Succeed at steam sterilization” Chemical processing.
[2] ‟Saturated vs Superheat Steam Conditions". nationwideboiler.com
[3] Song, L.; Wu, J.; Xi, C. (2012). ‟Biofilms on environmental surfaces: Evaluation of the disinfection efficacy of a novel steam vapor system”. American Journal of Infection Control. Vol. 40, Issue 10, 926-930.