Humidité absolue, humidité relative
Considérons de l'eau liquide en présence d'air, à la pression atmosphérique (figure ci-dessous). Même si cette eau est à une température inférieure à sa température d'ébullition, nous savons qu'elle s'évapore partiellement, et que l'air va se charger en vapeur d'eau.
Réciproquement, de l'oxygène et de l'azote vont se dissoudre dans l'eau, mais en petite quantité (la fraction molaire[3] de gaz dissous est de l'ordre de \(10^{-5}\) ). Nous considérerons donc que la phase liquide est constituée d'eau pure.
Même si l'air n'est pas un corps pur, nous le considérons ici comme un "pseudo-composant" : une mole d'air sec correspond en fait à 0,2 mole de O2 et 0,8 mole de N2, et a une masse molaire égale à 0,2x32 + 0,8x28 =29 g/mol.
Nous pouvons donc définir la fraction molaire[3] de vapeur d'eau dans l'air, \[{y}_{e}\] et la fraction molaire[3] d'air sec dans l'air humide : \[{y}_{a}=1-{y}_{e}\].
À pression atmosphérique, il est tout à fait légitime de considérer ce mélange gazeux comme un gaz parfait.
Écrivons l'équilibre de transfert d'eau entre la phase liquide et la phase vapeur, en nous rappelant que :
la fugacité[4] d'un corps pur liquide est, avec une très bonne approximation, égale à la pression de saturation ;
la fugacité[4] d'un constituant d'un mélange gazeux parfait est égale à sa pression partielle[5].
Si l'indice e représente le constituant "eau" :
Il existe donc une fraction molaire[3] de vapeur d'eau dans l'air qui correspond à l'équilibre avec l'eau liquide :
Si la fraction molaire[3] de vapeur d'eau dans l'air est inférieure à \[{y}_{e}^{\left(\mathit{eq}\right)}\], l'air va continuer à se charger en vapeur d'eau. Si par contre, de l'air contenant une fraction molaire[3] en vapeur d'eau supérieure à \[{y}_{e}^{\left(\mathit{eq}\right)}\] est porté dans les conditions \[T\], \[P\], il va y avoir condensation d'eau liquide à partir de cet air.
Un air en équilibre avec de l'eau liquide est dit saturé : sa fraction molaire[3] en vapeur d'eau correspond à la quantité maximale de vapeur d'eau qu'il puisse contenir.
L'air ambiant n'est en général pas saturé, et c'est heureux : il permet en effet l'évaporation de la transpiration, qui est l'un des mécanismes essentiels de la régulation thermique de l'organisme. L'humidité de l'air est un facteur essentiel du confort climatique.
Définition :
On appelle humidité absolue[6] d'un air, le rapport de la masse de vapeur d'eau à la masse d'air sec contenues dans le mélange :
On vérifiera aisément que l'humidité absolue[6] et la fraction molaire[3] de vapeur d'eau sont liées par :
où \[\alpha ={\cal M}_{e}/{\cal M}_{\mathrm{air}}=18/29=0,62\] est le rapport de la masse molaire de l'eau à celle de l'air.
Définition :
On appelle humidité relative[7] d'un air, le rapport entre sa fraction molaire[3] de vapeur d'eau et la fraction molaire[3] de vapeur d'eau à saturation :
Remarque :
L'humidité relative[7] est de 100% pour un air saturé : il ne faudrait pas en déduire que cet air est constitué à 100% de vapeur d'eau !
La relation entre humidité relative[7] et humidité absolue[6] est :