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.