Equilibre et transferts en milieux poreux I- Etats d'équilibre

Jean-François Daïan (1)

1 LTHE - Laboratoire d'étude des transferts en hydrologie et environnement

Ce document est la première partie d'un ouvrage qui traite des diverses formes du transport affectant les fluides en milieu poreux* (filtration darcienne, diffusion en phase liquide et gazeuse). Les couplages de ces différents modes de transport entre eux et avec la conduction thermique par le biais du changement de phase notamment jouent un rôle central dans ces phénomènes. L'étude préalable des états d'équilibre polyphasiques des fluides au sein d'un milieu poreux du point de vue de la mécanique et de la thermodynamique est indispensable à l'étude des transferts. Le comportement capillaire constitue la base mécanique de l'équilibre (pression capillaire et loi de Laplace). Il met en jeu le mouillage des parois solides et la tension interfaciale entre phases. La thermodynamique de l'équilibre diphasique, qui en poreux doit être revisitée pour tenir compte de la capillarité, donne lieu à la loi d'équilibre entre un liquide pur et sa vapeur (loi de Kelvin). Elle débouche également sur l'étude des phases interfaciales, notamment les films adsorbés. D'autres phénomènes comme le gel et les effets osmotiques relèvent également d'une approche thermodynamique spécifique pour les poreux. La morphologie de l'espace poreux et la distribution porométrique jouent le rôle central dans le comportement à l'équilibre des fluides dans l'espace poreux. Les conditions d'une caractérisation statistiquement représentative de l'espace poreux (macroscopisation, EVR) sont examinées. Les mécanismes des déplacements immiscibles d'une part, de l'adsorption et de la condensation capillaire d'une vapeur d'autre part, sont analysés en relation avec la porométrie en faisant appel à l'éclairage apporté par la théorie de la percolation. Une large place est faite aux nombreuses méthodes de mesure de la pression capillaire, de la saturation en liquide et de la pression partielle de vapeur, ainsi qu'aux procédés expérimentaux concernant les poreux, en particulier la détermination des caractéristiques capillaires. Les méthodes de caractérisation porométrique fondées sur le comportement capillaire (porométrie au mercure) et sur la condensation de vapeur (isothermes de sorption) sont analysées de façon critique. Chaque fois que possible, ces applications sont présentées ou illustrées sous forme d'exercices avec énoncé conventionnel, solution détaillée et largement commentée. * Une version provisoire de la deuxième partie consacrée aux transferts est disponible sur : http://www.lthe.fr/LTHE/spip.php?article543

Mots clés: mercury intrusion porosimétry

Mots clés: milieux poreux; microstructure; distribution porométrique; capillarité; loi de Laplace; thermodynamique des poreux; loi de Kelvin; thermodynamique des interfaces; adsorption; déplacements immiscibles; caractéristiques capillaires; isothermes de sorption; porosimétrie au mercure porous media; pore-siize distribution; capillary behaviour; Laplace Washburn law; thermodynamics of porous media; Kelvin's law; interfacial thermodynamics; immiscible displacements; capillary caracteristics; sorption isotherms; mercury intrusion porosimétry.

Domaines: Mécanique des fluides [physics.class-ph]; Mécanique des fluides [physics.class-ph]

Jean-François Daïan. Equilibre et transferts en milieux poreux I- Etats d'équilibre. 2010. ⟨hal-00452876v1⟩