Glossaire

composition volumétrique

  Curieux  

Une parcelle de gaz peut ne pas être formée d'un corps pur unique, mais rassembler en un mélange deux composants ou davantage : tel est le cas des parcelles d'air sec, qui contiennent essentiellement un mélange d'azote, d'oxygène et de gaz rares restant en proportions constantes quels que soient le volume et la température de la parcelle observée. Ce terme de "proportions" évoque naturellement des proportions massiques, qui indiquent pour chaque composant le rapport de sa masse dans la parcelle à la masse totale de celle-ci ; en météorologie, cependant, on préfère se référer à des proportions volumiques , qui indiquent pour chaque composant le rapport du volume qu'il occuperait seul au volume total de la parcelle, dans l'hypothèse où ce composant garderait la même température tout en acquérant une pression égale à l'actuelle pression du mélange auquel il participe : c'est l'ensemble des proportions volumiques des divers composants d'un mélange gazeux qui fournit alors la composition volumétrique de ce mélange. (Dans le cas d'une parcelle d'air humide, où l'eau peut être en proportions variables, on ne considère que la masse et la pression partielle de l'air sec, auxquelles la masse totale de la parcelle et la pression atmosphérique ajoutent respectivement la masse et la pression partielle de l'eau qui s'y trouve contenue.)

Les deux catégories de proportions précédemment définies sont en fait liées entre elles à travers des relations connues qui résultent de l'expression de l'équation d'état des gaz parfaits appliquée aux différents corps purs gazeux : de la sorte, un mélange en proportions volumiques constantes est de façon équivalente un mélange en proportions massiques constantes. Il convient toutefois de rester attentif au fait que les chiffres ne sont pas les mêmes dans l'un et l'autre cas : aussi, lorsqu'on dit par exemple que l'oxygène compose le cinquième de l'atmosphère, il s'agit exclusivement de la composition volumétrique de l'air et non de la masse relative de l'oxygène.


  Initié  

Les proportions massiques et volumiques dans l'air

Au sein de l'air sec de la basse atmosphère et de la moyenne atmosphère, la plupart des composants gardent des proportions massiques constantes, les exceptions provenant en outre de corps très faiblement présents, hormis peut-être le gaz carbonique. Il est remarquable que ces proportions restent invariables — alors qu'elles correspondent à un simple mélange et non à une combinaison chimique — , et ceci quelles que soient les conditions affectant les grandeurs caractéristiques de l'air sec d'une parcelle : sa pression partielle p a (légèrement inférieure à la pression atmosphérique, qui lui ajoute la pression partielle de la vapeur d'eau ), son volume V , sa masse m a, sa température T, liées par l'équation d'état p a V = m a R a T , où le nombre R a est proche de 287 J.kg - 1 . K - 1 ; les masses m 1 , m 2 , ..., m n des n composants essentiels de l'air sec présents dans la parcelle (avec, pratiquement, m 1 + m 2 + ... + m n = m a ) offrent donc des proportions constantes µ 1 = m 1 / m a , µ 2 = m 2 / m a , ..., µ n = m n / m a quelles que soient les valeurs de V et T .

On préfère cependant dimensionner la "présence" de ces n composants gazeux à l'aide de la composition volumétrique de l'air sec, qui regroupe l'ensemble de leurs proportions volumiques dans la parcelle : ces dernières fournissent en pourcentage la proportion du volume V qui serait occupée par chacun des composants à la pression p a et à la température T . On aurait alors, pour les volumes v 1 , v 2 , ..., v n se complétant de façon à former le volume V , n égalités semblables à p a v 1 = m 1 R 1 T (les constantes R 1 , R 2 , ..., R n sont chacune spécifiques d'un composant gazeux et vérifient l'égalité m 1 R 1 + m 2 R 2 + ... + m n R n = m a R a ). Il en résulte que les compositions volumétriques des n composants ont respectivement pour expressions 100 µ 1 R 1 / R a , 100 µ 2 R 2 / R a , ..., 100 µ n R n / R a : on doit alors garder à l'esprit l'existence de ces facteurs R 1 / R a , R 2 / R a , ..., R n / R a qui distinguent la répartition en volume et la répartition en masse dans la composition de l'air sec (lorsqu'on dit que l'azote et l'oxygène composent respectivement les quatre cinquièmes et le cinquième de l'atmosphère, il s'agit de proportions volumiques et non pas massiques).