La FAQ de fr.sci.physique : th0003

I - De quoi parle-t-on ?
------------------------

On entend partout dire que l'eau bout à 100°C, sous la pression atmosphérique normale (1 bar). On sait qu'alors l'eau passe de l'état liquide à l'état vapeur. Mais l'eau se transforme en vapeur aussi à des températures inférieures.

Quand l'eau se transforme en vapeur à une température inférieure à 100°C on constate que le changement est lent et ne nécessite pas de chauffage. Par contre à 100°C et si on chauffe alors il apparaît des bulles de vapeur d'eau.

On s'intéresse ici à ce dernier phénomène, détailler son mécanisme, et comparer cette ébullition avec le phénomène d'évaporation (^[1]).

II - Que se passe-t-il ?
------------------------

Si on chauffe de l'eau(^[*]) dans une casserole, avec un thermomètre pour mesurer la température de l'eau, on observe l'apparition de petites bulles. Il s'agit là des gaz dissouts dans l'eau, i.e. de l'air, qui permet aux poissons d'avoir de l'oxygène.
Si on continue à chauffer, on constate que de la buée se dépose sur le thermomètre (dont le corps reste plus froid). Cela est dû à l'évaporation de l'eau[1] dont la vapeur formée se condense sur le thermomètre plus froid(^[2]).
Si on chauffe jusqu'à 100°C (sous une pression extérieure de 1 bar), on observe l'apparition de grosses bulles qui viennent crever à la surface du liquide: ce sont des bulles de vapeur d'eau.

C'est la formation de ces bulles de vapeur d'eau qui constituent le phénomène d'ébullition.

On peut obtenir également l'ébullition sans chauffer: on peut aussi abaisser rapidement la pression, par exemple avec une seringue (sans aiguille) remplie à 1/5 d'eau liquide. Chasser l'air, boucher avec le doigt, tirer brusquement sur le piston et observer. Faire également la contre-expérience sans boucher, pour observer la différence...

La casserole remplie d'eau est fermée, puis on laisse refroidir jusqu'à la température ambiante, et on chauffe (comment ça, "encore?" ! ).

Le premier chauffage a servi à éliminer l'air et autres gaz dissouts qui font des bulles parasites.

On a vu que si on augmente la température, le nombre de molécules éjectées augmente, et la pression de vapeur saturante augmente aussi.

Si on chauffe, cela revient à agiter plus fort les molécules, au point parfois qu'il se forme fugitivement des microbulles de gaz au contact des aspérités des parois de la casserole.

Tant que l'air exerce sur le liquide une pression supérieure à P_sat, le liquide en profondeur reste liquide, et toute bulle de vapeur d'eau qui aurait l'insolence de se former (par exemple à la suite d'un chauffage puissant en un point du liquide) est aussitôt écrasée et transformée en liquide. Seule l'évaporation de surface permet de transformer de l'eau liquide en vapeur d'eau.

Mais la température augmente, augmente, et P_sat qui augmente aussi atteint la valeur de la pression de l'air.
Alors une bulle de vapeur d'eau qui se forme n'est plus écrasée; par contre, moins dense que le liquide environnant, elle remonte à la surface pour y éclater et libérer dans l'air la vapeur d'eau qu'elle contient.
Tant qu'on chauffe, des bulles apparaissent là où on chauffe. Dès qu'on arrête de chauffer, les bulles arrêtent de se former.

C'est cette apparition de bulles de vapeur qu'on appelle l'ébullition. Cette dernière se produit quand la pression de vapeur saturante atteint la valeur de la pression atmosphérique, i.e. à une température donnée (qui dépend de la pression atmosphérique, justement).

La température d'ébullition dépend de la valeur de la pression extérieure (ou pression atmosphérique). Pourquoi? Eh bien parce que l'ébullition se produit quand la pression de vapeur saturante de l'eau devient égale à la pression atmosphérique.
Au niveau de la mer la pression atmosphérique vaut 1 bar, et P_sat ne devient églae à 1 bar qu'à 100°C. Donc l'eau bout à 100°C au bord de la mer.

En haute montagne la pression est plus faible qu'au niveau de la mer. Donc on a besoin de moins chauffer pour que la pression de vapeur saturante devienne égale à la pression extérieure. Par exemple pour une pression de 0,7 bar (altitude environ 3000 m), la température d'ébullition vaut 89°C.

Ceci pose un problème pour cuire les aliments. Par exemple, pour faire cuire un oeuf il faut qu'il soit chauffé pendant 5 minutes à 100°C. Facile sur la plage, il suffit de le plonger 5 minutes dans l'eau bouillante. Mais en montagne, l'eau bouillante n'étant qu'à 89°C, on est quelque peu embêté, car on ne peut monter à 100°C.

pression extérieure ( en bar)	température d'ébullition (en °C)
0,04	26
0,10	44
0,68	89
1,00	100
1,96	120

Comment peut-on retrouver ces valeurs par le calcul? La température d'ébullition T dépend en fait de la pression extérieure P par la formule de Clapeyron:

L = T (u_g - u_l) dP/dT

u_g le volume massique du gaz à (T;P) u_l le volume massique du liquide à (T;P)

Si on assimile la vapeur à un gaz parfait, de masse molaire M, alors:

u_g = R T/ (P M) (R: constante des gaz parfaits)
Si on néglige le volume massique du liquide devant celui du gaz, le terme (u_g - u_l) se réduit à u_g, soit RT/PM.

Alors L = T * R T/M dP/dT,

soit dP/P = M L/R * dT/T²

ou:

ln (P_2/P_1) = M L/R * (1/T_1 - 1/T_2)

Si on connaît un point (P_1; T_1) on peut en déduire tout autre point (P_2;T_2) avec cette formule.

Pour l'eau:

P_1 = 1E5 Pa
T_1 = 373 K
L = 2,2E6 J.kg^-1
M = 18E-3 kg.mol-1

	évaporation	ébulllition
lieu	surface libre ^[#] du liquide	aspérités du récipient contenant le liquide
vitesse	souvent lente	souvent plus rapide
spontanéité	a lieu naturellement dès que du liquide est en contact avec de l'air dont la pression est supérieure à la pression de vapeur saturante du liquide	a lieu naturellement dès que du liquide est en contact avec de l'air dont la pression est inférieure à la pression de vapeur saturante du liquide

^(#) surface de contact entre le liquide et l'air.

NB: il est à noter qu'en vase clos (i.e. enceinte fermée et de volume fixé), l'ébullition comme l'évaporation conduisent au même état final, la pression partielle étant égale à P_sat s'il reste du liquide.

C'est notamment ce qui se passe dans un autocuiseur (enfin pas tout-à-fait, l'autocuiseur ayant une fuite), et dans l'expérience du bouillant de Franklin, qui est un ballon fermé qu'on porte à 100°C, et qu'on refroidit par un linge humide ou un petit jet d'eau froide, ce qui diminue la température de la vapeur à l'intérieur, donc chute de la pression du gaz, et ébullition du liquide qui est lui toujours à 100°C.