Caractéristiques physiques de l'eau

Les six grandeurs de la table

Toutes les valeurs sont données pour de l'eau liquide pure, à la pression atmosphérique normale (101 325 Pa, soit 1,013 bar). La température est le seul paramètre d'entrée.

• Masse volumique ρ (kg/m³) — masse d'un mètre cube d'eau. Maximale à 4 °C (1 000 kg/m³), elle tombe à 958,05 kg/m³ à 100 °C. C'est elle qui convertit un débit volumique en débit massique.
• Chaleur spécifique Cp (kJ/kg·K) — énergie nécessaire pour élever 1 kg d'eau de 1 K. Elle vaut 4,182 kJ/kg·K à 20 °C et ne bouge que de 1 % sur toute la plage, d'où la valeur unique de 4,18 kJ/kg·K utilisée partout en génie climatique.
• Enthalpie sensible h (kJ/kg) — chaleur contenue dans 1 kg d'eau, comptée à partir de 0 °C. À 60 °C elle vaut 251,16 kJ/kg, à 100 °C 419,06 kJ/kg. Elle ne comprend pas la chaleur latente de vaporisation (≈ 2 257 kJ/kg), qu'il faut fournir en plus pour transformer cette eau en vapeur.
• Chaleur volumique ρ·Cp (kJ/m³·K) — énergie stockée par mètre cube et par kelvin, soit le produit des deux colonnes précédentes. Environ 4 175 kJ/m³·K à 20 °C, c'est-à-dire 1,16 kWh par m³ et par kelvin : la constante qui sert à dimensionner un ballon tampon.
• Viscosité dynamique μ (kg/m·s) — résistance de l'eau à l'écoulement, aussi notée Pa·s. 0,001003 kg/m·s à 20 °C, soit 1,003 mPa·s ou 1,003 cP. C'est la grandeur la plus sensible à la température : elle est divisée par 6,35 entre 0 et 100 °C.
• Pression de vapeur saturante Ps (Pa abs.) — pression au-delà de laquelle l'eau reste liquide à cette température. 2 337 Pa à 20 °C, 101 325 Pa à 100 °C — l'ébullition, par définition. C'est le seuil à ne pas franchir pour éviter la cavitation à l'aspiration d'une pompe.

Utiliser la table en génie climatique

Ce que la table dit de l'eau

Quatre comportements ressortent de ces 101 lignes, et chacun a une conséquence directe sur une installation.

• L'eau se dilate de 4,4 % entre 4 et 100 °C. Un mètre cube perd 42 kg. Sur un circuit de chauffage fermé, ce volume supplémentaire doit être absorbé quelque part : c'est toute la raison d'être du vase d'expansion.
• Le Cp passe par un minimum vers 30 °C (4,178 kJ/kg·K) et remonte aux deux extrémités (4,217 à 0 °C, 4,216 à 100 °C). L'amplitude totale reste sous 1 %, ce qui justifie la valeur unique employée en pratique — mais explique aussi pourquoi les tables sérieuses ne se contentent pas d'une constante.
• La viscosité est divisée par 6,35 entre 0 et 100 °C. C'est de loin la grandeur la plus variable de la table. Une pompe dimensionnée sur l'eau à 80 °C sera sous-dimensionnée si le même circuit tourne un jour à 10 °C.
• La pression de vapeur saturante rejoint l'atmosphère à 100 °C. C'est la définition de l'ébullition. À 90 °C elle vaut déjà 70 100 Pa : sur un circuit haute température, la pression de service doit rester confortablement au-dessus, sous peine de cavitation à l'aspiration de la pompe.

Comment ces valeurs sont vérifiées

La table est couverte par une suite de 17 tests automatisés. Le principe : elle est comparée à des formulations publiées, réimplémentées indépendamment dans le fichier de test — jamais à ses propres sorties. Les écarts ci-dessous sont ceux que les tests mesurent réellement.

• Masse volumique — étalon Kell (1975). Le polynôme de Kell pour l'eau exempte d'air à 1 atm est recalculé pour les 101 lignes. L'écart reste sous 0,10 kg/m³ jusqu'à 60 °C (10⁻⁴ en relatif) puis se creuse progressivement jusqu'à 0,31 kg/m³ à 100 °C, soit 0,033 %. Le test vérifie aussi que ce maximum d'écart est bien atteint en haut de plage, et non au milieu : une dérive de ce genre signale une interpolation, pas une erreur de saisie.
• Pression de vapeur saturante — étalon IAPWS-IF97. L'équation explicite de la région 4 (courbe de saturation) est réécrite avec ses dix coefficients et évaluée à chaque degré. L'écart maximal mesuré est de 0,14 %, l'écart moyen de 0,11 % — la table est systématiquement très légèrement en dessous de la référence.
• Viscosité dynamique — corrélation de Vogel. La formule μ = 2,414·10⁻⁵ × 10^(247,8/(T−140)), annoncée à ±2,5 % sur 0-370 °C, sert de contre-mesure. L'écart maximal est de 2,2 %, atteint à 0 °C ; sur le cœur de plage 10-60 °C, celui du chauffage et du sanitaire, le test impose et vérifie un écart inférieur à 1 %.
• Identité ρ·Cp. La colonne « chaleur volumique » doit être exactement le produit des colonnes masse volumique et chaleur spécifique. Elle l'est à 0,012 % près — l'écart résiduel n'est que l'arrondi d'affichage. La grandeur est bien exprimée en kJ/m³·K.
• Conversions kcal. Les colonnes en kcal sont vérifiées contre les colonnes SI avec 1 kcal = 4,1868 kJ exactement, à l'arrondi d'affichage près.

Références

• IAPWS R7-97(2012) — Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam, International Association for the Properties of Water and Steam (révision du 29 mai 2018). Référence internationale pour les propriétés thermodynamiques de l'eau ; sa région 4 fournit l'équation de saturation utilisée comme étalon.
• IAPWS R12-08 — Release on the IAPWS Formulation 2008 for the Viscosity of Ordinary Water Substance(révision du 29 mai 2018). Formulation de référence pour la viscosité de l'eau.
• Kell, G. S. (1975) — Density, thermal expansivity, and compressibility of liquid water from 0° to 150°C, Journal of Chemical & Engineering Data, 20(1), 97-105. DOI 10.1021/je60064a005. Polynôme de masse volumique de l'eau exempte d'air à 1 atm.
• NIST Chemistry WebBook, SRD 69 — Thermophysical Properties of Fluid Systems, National Institute of Standards and Technology. Générateur de tables de référence, utile pour recouper une valeur ponctuelle.