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Débit massique vs débit volumétrique

On emploie souvent le terme « débit » sans autre spécification, alors que la distinction entre « débit massique » et « débit volumétrique » peut faire une importante différence.

Imaginez qu’un vendeur de gaz utilise un débitmètre volumétrique pour mesurer la quantité de gaz, et facture au volume. En supposant que le prix du gaz au volume est constant, un acheteur observateur réaliserait rapidement que le même volume a une masse plus élevée et donc un contenu énergétique plus important si l’achat est fait en hiver. Ainsi, acheter du gaz l’hiver reviendrait moins cher. Pourquoi ? La réponse réside dans les propriétés spéciales des gaz. Lorsqu’on les manipule, il est nécessaire d’opérer une distinction entre « débit massique » et « débit volumétrique » (également connu sous le terme de « débit de volume »).

Apparence volatile : Gaz

Une des différences les plus importantes entre les liquides et les gaz est le fait que les gaz sont compressibles. Cela signifie que la même masse de gaz peut très considérablement varier en volume V en fonction de sa température T, de sa pression p et de ses propriétés uniques, également nommées constante spécifique de gaz R. Ce comportement est résumé par la loi des gaz parfaits, qui donne :

 

\(pV = nRT.\)

 

L'équation des gaz parfaits représente l'influence de la pression et de la température sur le volume d'une quantité constante de masse de gaz.

Température et pression : Variables importantes :

En termes pratiques, cela signifie que le volume d’une quantité constante de gaz augmente avec sa température lorsque la pression reste constante. Par exemple, mesurés à pression atmosphérique (1 bar abs.), 100 grammes d’air sec ont un volume d’env. 78 libres à 0°C, mais env. 90 litres de volume à 40°C. D’un autre côté, lorsque la pression augmente alors que la température est constante, la même masse de gaz occupe un plus petit volume. À 1 bar abs., 100 grammes d’hydrogène remplissent un volume de 1135 litres. À 100 bar abs., la même masse d’hydrogène a un volume de seulement 11 litres.

Ce qui compte, c'est le gaz spécifique

Comme illustré par l'exemple ci-dessus, la même masse de gaz à la même température et à la même pression occupe un volume différent en fonction du gaz. Cela s'explique par la constante R différente en fonction du gaz spécifique, cette constante R pouvant considérablement varier d’un gaz à l’autre. Pour de l’air sec, la constante de gaz spécifique est \( R_{air} = 287 J/(kg K)\), et pour l’hydrogène, c’est \(R_{H_2} = 4157 J/(kg K).\)

Débit massique vs débit volumétrique

En gardant ce comportement spécial des gaz en tête, il apparaît évident que le terme « débit » doit être plus précisément spécifié. Le débit peut être spécifié soit en indiquant le taux de débit massique, soit en indiquant le taux de débit volumétrique. Le débit volumétrique est présenté au moyen d’unités telles que le litre à la minute ou le mètre cubique à la seconde. D’autre part, le débit massique décrit le taux auquel une certaine masse est déplacée au moyen d’unités telles que le kilogramme par seconde, ou le gramme par minute.

Débit massique et débit volumétrique Faire la différence

Démontrée avec l’exemple du début, la distinction entre le débit massique et le débit volumétrique est non seulement importante du point de vue théorique, mais peut également avoir un impact réel sur notre vie quotidienne. Supposons que notre hypothétique vendeur de gaz vende de l’hydrogène dans une région à fortes variations saisonnières de températures. Cela signifie que la température du gaz peut changer entre 0°C en hiver et 40°C en été.

 

Ainsi, 100 litres vendus au même prix peuvent varier en masse entre 76 grammes et 88 grammes. Par conséquent, pour les consommateurs, acheter de l’hydrogène l’été revient 13 % plus cher. Notre exemple imaginaire illustre l’importance de la distinction entre le débit massique et le débit volumétrique. Cela explique également pour quoi des gaz tels que l’hydrogène ou le gaz naturel se vendent surtout à la masse, et non au volume.

Quelle métrique utiliser ?

Cet exemple soulève la question : quelle métrique utiliser ? La réponse : cela dépend. Par exemple, la plupart des calculs sont bien plus facile si l’on se base sur le débit massique, car la masse est conservée et ne dépend pas de la température ou de la pression. Toutefois, la plupart des gens ne comprennent pas les masses gazeuses de manière intuitive. Ici, le débit volumétrique est plus tangible et accessible pour les besoins pratiques du quotidien.

 

Enfin, au sujet du débit volumétrique, il est crucial de connaître la température et le type de gaz, représenté par la constante du gaz spécifique à ce flux volumétrique. Par conséquent, KNF spécifie dans les fiches techniques un débit volumique mesuré à la pression atmosphérique avec de l'air à température ambiante. Pour notre vendeur de gaz imaginaire mentionné au début, cela signifie que le gaz devrait être vendu uniquement au volume si ce volume est spécifié à une température et une pression de référence constantes. L’autre option serait d’utiliser un débitmètre volumétrique et de vendre le gaz à la masse.

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