Mai 2004 - n°88
Vide : Du latin Vacuus - Qui ne contient rien, ni objet, ni matière
par Fisher scientific Labosi - M. Bruno Rossi, Chef de produits
Le vide, un peu d’histoire
- L’histoire, quelque peu résumée d’une
vaste épopée technique
1644 : Découverte de la notion physique du vide par Torricelli
1646 : Pascal confirme et affine cette théorie
1654 : Von Guericke fabrique la première pompe à vide
1855 : Geissler fabrique la première pompe à vide à déplacement
de mercure. Le vide obtenu est proche de 1/10 de Torr (= 0,1 mm Hg ou 0,133
mbar)
1865 : Sprengel invente la trompe à mercure
1905 : Gaede crée la pompe à vide rotative à mercure
1910 : Gaede invente la pompe à palettes (principe inchangé
à nos jours !)
1913 : Gaede invente la pompe turbomoléculaire, puis, dans la foulée,
la pompe à diffusion, qui sera perfectionnée par la suite par
Langmuir.
Qu’est ce que la pression ?
Illustrée par la spectaculaire expérience de Magdeburg, en 1650,
où 2 attelages de chevaux ne parvinrent pas à séparer
deux demi-sphères métalliques de 80 cm de diamètre, collées
l’une à l’autre par un vide interne.
* Définition
Lorsqu’une force est appliquée sur l’ensemble d’une
surface, perpendiculairementà celle-ci, on définit la pression
comme le quotient de cette force F sur l’aire de la surface S.
P = F/S
* Unités et gammes
Dans le système international d’unité (Système
SI), la pression se mesure en Pascal (Pa). Une pression de 1 Pa correspond
à une force de 1 Newton exercée sur une surface de 1 m2.
On trouve également, dans la littérature scientifique, d’autres
unités :
1 Pa = 10-1 mbar = 1,02.10-1 g/cm2 = 10-6
atmosphère = 7,5.10-2 mm Hg (Torr) ou 1,4.10-3
psi
Quelques exemples de pressions
extrêmes
10-11 Pa : dans l’espace entre la Terre et la Lune
10-10 Pa : vide très poussé atteint en laboratoire
1010 Pa : pince à enclume de diamant
1012 : certaines ondes de choc
* Les différents types de pressions
- La pression osmotique
On appelle osmose le transfert d’un solvant à travers
une membrane sous l’action d’un gradient de concentration. Le
phénomène d’osmose se traduit par un flux de solvant de
la solution la moins concentrée vers la solution la plus concentrée.
- La pression de radiation
Un rayonnement électromagnétique, par exemple la lumière,
exerce une force sur la surface qui la reçoit. Cette force résulte
des chocs des photons sur cette surface.
- La pression hydrostatique et aérostatique (en enceinte fermée)
Dans un liquide, non compressible, le volume ne varie pas en fonction
de la pression.
Dans un gaz, compressible, la masse volumique n’est pas constante. Si
la pression augmente, le gaz se comprime, si la pression diminue, il se dilate.
La compression, à température ambiante, augmente l’agitation
moléculaire des atomes du gaz, donc le nombre de chocs sur les parois
du récipient (la pression mesurée).
- La pression atmosphérique
D‘une valeur moyenne de 1013 hPa (hectoPascal), elle varie
en fonction de l’altitude, de la latitude et de la longitude (1078 hPa
en Sibérie et 887 hPa au large des Philippinnes). Elle est divisée
par 10 chaque fois que l’on s’élève de 16 km.
Le vide
Les pompes à vide se caractérisent par leur débit et
leur dépression. Ces deux propriétés sont souvent contradictoires.
* Du vide pour le vide …
Faire le vide veut bien dire extraire un gaz (donc des molécules)
d’une enceinte close. Dans ce cas, le débit sera lié au
volume de l’enceinte à" vider ".
Le débit ne prendra en compte que le temps nécessaire à
effectuer cette opération.
La dépression sera purement conditionnée par la capacité
de la pompe à atteindre une valeur de vide donnée et à
compenser les fuites éventuelles.
On utilisera, dans ce cas, une pompe prévue pour " faire du vide
"
* Du vide pour favoriser un échange
liquide/gaz
On utilise, d’une façon impropre, le terme de vide lorsqu’il
s’agit de transfert de gaz. Toutes les manipulations telles que la distillation
sous vide, séchage de gel, … doivent être assimiléesà
un transfert de gaz.
Que se passe-t-il physiquement ?
Un liquide chauffé augmente sa tension de vapeur. En vase
clos, celle-ci finit par s’équilibrer avec la pression de vapeur
(Pv) du liquide. Dans ce cas, la distillation s’arrête.
L’utilisation d’une pompe, type membrane, permet, par son vide
et surtout son débit, de créer une dépression dans l’enceinte
en déplaçant la vapeur au fur et à mesure qu’elle
se génère, contrariant ainsi, en permanence, l’équilibre
physique.
Durant toute cette phase de déplacement de vapeur, la pompe à
vide ne pourra, en aucun cas, descendre en dessous de la pression de vapeur
du gaz véhiculé.
Par exemple : La Pv de la vapeur d’eau est de 23,37 mbar à 20°C.
Si on utilise une pompe à vide dont les caractéristiques affichent
8 mbar de vide limite, tant que le gaz aspiré sera saturé de
vapeur d’eau, la pression d’aspiration ne pourra que " plafonner
"à 23,37 mbar !
Ne parlons pas d'un produit comme l’éther dont la Pv est de 5
867 mbar …
N’oublions pas que la Pv augmente avec la température …
Définitions
* Le Torr (en hommage à Torrichelli)
Unité encore couramment utilisée en vide, même
si le Pascal (Pa) est l’unité officielle.
1 Torr est la pression qu’exerce un gaz qui, à 0°C, élève
de 1 mm la hauteur d’une colonne de mercure (ne serait-ce
pas le baromètre de Torricelli ?)
La pression atmosphérique, sous nos latitudes, est en moyenne 760 Torr,
soit 760 mm Hg (1013 hPa)
* La pression absolue (Pabs)
En technique du vide, c’est généralement cette
valeur qui est indiquée.
L’indice abs n’est donc souvent pas mentionné.
C’est la pression réelle dont on tient compte dans les calculs
sur les gaz.
La Pabs est une mesure physique utilisée lorsqu’on
parle de vide en enceinte close (lyophilisation, étuves à vide,
…).
* La pression relative
C’est la différence de pression par rapportà la
pression atmosphérique. La pression relative est celle utilisée,
par exemple, lorsque l’on parle distillation sous vide.
Elle représente généralement la différence de
pression entre la phase liquide et la phase gazeuse.
* La pression différentielle
C’est la différence de pression entre deux pressions,
dont l’une sert de référence.
* La pression de service – Pression dans
une conduite
C’est la force par unité de surface exercée sur
une surface par un fluide s’écoulant parallèlement à
la paroi d’une conduite.
Gammes de vide
Il est habituel, en technique du vide, de partager la gamme totale
des pressions, couvrant aujourd’hui plus de 16 puissances de dix, en
différents domaines dont les appellations sont fixées par des
normes :
Vide grossier : 1000 à 1 mbar (100 à 0,1 Pa)
Vide moyen (ou primaire) : 1 à 10-3 mbar (10-1
à 10-4 Pa)
Vide poussé : 10-3 à 10-7 mbar (10-4
à 10-8 Pa)
Nous ne nous intéresserons, dans ce document, qu’au vide grossier
ou primaire.
Les principales pompes de laboratoire
Outre les pompes à membrane ou à piston, pour vide grossier,
il existe entre autre :
* Les pompes primaires
- Rotatives volumétriques
- Rotatives à palettes
- A piston (trocoïde ou oscillant)
- Roots (birotors synchrones)
* Les pompes secondaires (vide poussé)
- Turbomoléculaire
- A diffusion
- Ionique à sorption
- A condensation ou cryogénique
La mesure du vide
* Manomètre à liquide
Ils sont employés pour les mesures de vide peu poussé.
Le manomètre à colonne de mercure (simple tube de Torrichelli)
est utilisable jusqu’à quelques Torr. Le manomètre à
2 liquides (manomètre eau-aniline), plus sensible, est utilisable jusqu’à
une pression de 1 Torr
* Jauge de MacLeod
Ce manomètre permet la mesure de pressions comprises entre
quelques Torr et 10-5 Torr.
D’un emploi peu commode, il sert principalement à l’étalonnage
et au contrôle des manomètres thermiques et à ionisation
ou, pour certains professionnels, aux mesures de pressions différentielles.
* Vacuomètres à indication de
pression indépendante du gaz
L’intérieur d’un tube, de section circulaire coudée,
est raccordée au système à mettre sous vide. Lors de
la mise sous vide, le tube se déforme sous l’effet de celui-ci.
Cette déformation entraîne, par un système mécanique,
une aiguille indicatrice. L’indication étant dépendante
de la pression atmosphérique, la valeur lue ne peut être qu’indicatrice.
* Vacuomètre à capsule
Le plus connu est le vacuomètre anéroïde. Constitué
d’un compartiment hermétique et sous vide, séparé
de la chambre de mesure par une membrane métallique (anciennement en
cuivre/béryllium).
Les plus petites variations de pression déforment celle-ci . Cette
déformation, par l’intermédiaire d’un système
de levier de haute précision, est transmiseà une aiguille indicatrice.
* Manomètres thermiques
Leur principe de fonctionnement est essentiellement fondé sur
la variation de conductibilité thermique des gaz entre 1 et 10-3
torr. Le plus courant d’entre eux est le manomètre à thermocouple.
Les deux fils d’un thermocouple, soudés entre eux en un point,
sont placés dans un tube contenant un filament chauffant traversé
par un courant d’intensité constante.
Entre les deux fils du thermocouple, on obtient une tension qui varie avec
la pression. Un galvanomètre branché entre ces deux fils donne
la mesure de pression par lecture directe.
* Manomètres à ionisation
On en utilise deux sortes. Dans le manomètre à ionisation
à cathode froide, ou jauge de Penning, dont le principe de fonctionnement
est identique à celui de la pompe à ionisation, la pression
se déduit de la mesure du courant résultant d’une décharge
électrique entretenue entre une anode et une cathode.
Ce manomètre fonctionne entre 10-3 et 10-6torr,
mais il est peu précis.
Le manomètre à ionisation à cathode chaude est en général
préféré au précédent. Il permet la mesure
de pressions inférieures à 10-3torr. De constitution
identique à un tube triode, il comporte un filament, une grille et
un collecteur. Le filament incandescent émet des électrons qui
sont attirés par la grille (qui est positive par rapport au filament).
La plupart des électrons la traversent et un certain nombre d’entre
eux ionisent par chocs les molécules de gaz résiduels dans l’espace
grillecollecteur. Les ions positifs ainsi créés sont captés
par le collecteur qui est polarisé négativement ; on obtient
ainsi un courant dont l’intensité est proportionnelle au nombre
de molécules ionisées, donc à la pression. La mesure
de la pression se déduit donc de celle de l’intensité
du courant produit, que l’on peut amplifier. La jauge Bayard-Alpert
est un modèle élaboré qui permet la mesure de pressions
jusqu’à 10-10torr ; elle est actuellement la jauge
à ionisation la plus utilisée.
Suite de cet article le mois prochain : «Les
différents types de pompe» Ce document ne traitera que des pompes
à vide grossier et vide primaire.