Mots-clef: vaporisation; évaporation; température ambiante
Ref. th0001
Date de dernière modification: 31/08/2001
Niveau: élémentaire
Auteur: lgmdmdlsr

Pourquoi l'eau se transforme-t-elle en vapeur d'eau à 20°C ?


I - De quoi parle-t-on ?
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On entend partout dire que l'eau se transforme en vapeur 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 pourquoi alors l'eau se transforme aussi à température ambiante (par exemple,un verre mouillé sèche, alors qu'on ne le chauffe pas à 100°C ?).

Si on connaît le diagramme d'état du corps pur([1]), on constate que l'état stable de l'eau à 20°C et sous une pression de 1 bar, est l'état liquide, donc ... il ne devrait point se former de vapeur d'eau à cette température. Or le verre sèche... Où est le problème?






II - Que se passe-t-il ?
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Pour comprendre ce qui se passe, utilisons un verre contenant de l'eau, à l'air libre.

On se souvient que l'eau est constituée de molécules qui s'agitent de plus en plus au fur et à mesure que la température augmente: c'est l'agitation thermique. Et au cours de cette agitation, certaines molécules de la surface sont tout simplement éjectées du liquide, et se retrouvent dans l'air.

Quel est le sort de ces molécules qui ne sont plus dans le liquide? Et bien elles voyagent, heurtent les molécules de l'air, et pour la plupart d'entre elles sont renvoyées vers le liquide. Quelques unes parviennent aux cours des chocs à se mélanger aux autres molécules de l'air, et s'éloignent du liquide.
Ce sont ces molécules qui ne sont pas dans le liquide qui constituent la vapeur d'eau, ici mélangée aux autres constituants de l'air.

On a alors un mélange d'air (mélange de diazote et de dioxygène) et de vapeur d'eau.

Le processus, lent, se fait donc à toute température (il suffit qu'il y ait de l'agitation thermique), et à la surface du liquide. On le nomme "évaporation".




Le liquide porté à la température T possède de l'énergie thermique, qui représente l'agitation des molécules du liquide. Quand une molécule de la surface du liquide est éjectée, elle emporte une partie de cette énergie. Donc au fur et à mesure que la vapeur se forme, le liquide perd de l'energie thermique.

Or, vous allez me dire que si l'énergie thermique du liquide diminue, alors la température du liquide va diminuer. Et vous aurez raison. Provisoirement. Car le liquide de surface va être aussitôt réchauffé par le liquide plus en profondeur, qui lui-même est réchauffé par la table, ..., et comme l'évaporation est lente, la baisse de température de surface est infime.

Néanmoins, il est vrai que s'il y a peu d'eau, le refroidissement peut devenir perceptible. C'est le cas quand on a une mince couche d'eau sur la peau, et qu'on active l'évaporation par courant d'air (voir plus bas).




Si le verre est dans l'atmosphère, supposée de volume infini, la vapeur d'eau de l'air se dilue à l'infini. Du coup le liquide, qui continue de l'évaporer, disparaît complètement.

Par contre si l'air a un volume fini alors au fur et à mesure que le liquide se transforme en vapeur l'air s'enrichit petit-à-petit en vapeur d'eau.

Mais si on a des molécules d'eau dans l'air, alors celles qui sont au voisinage de la surface du liquide peuvent y retourner. Et plus il y en a, plus le nombre de molécules d'eau rejoignant le liquide va augmenter.
Si on a assez de liquide, la proportion de vapeur d'eau dans l'air atteint une certaine valeur, et il y a autant de molécules d'eau retournent au liquide que de molécules d'eau qui quittent le liquide : la quantité de liquide ne diminue plus. On dit que l'air est saturé en vapeur d'eau. L'article "Air humide, brouillard et buée" étudie cette situation.



Si on augmente la température on augmente l'agitation thermique, donc on augmente le nombre de molécules EJECTEES du liquide. De plus on augmente la vitesse de la diffusion. Il est donc évident que l'évaporation est plus rapide à plus haute température.




La diffusion étant lente, il se forme au dessus du liquide une succession de couches d'air où la proportion de vapeur d'eau diminue au fur et à mesure qu'on s'éloigne de la surface du liquide. Ceci est un obstacle à l'évaporation, car évidemment plus une molécule de vapeur d'eau est proche du liquide, plus elle a de chances d'y retourner!
On peut augmenter la vitesse d'évaporation en faisant circuler l'air (le vent, par exemple). En effet les molécules d'eau qui se retrouvent dans l'air sont rapidement éloignées du liquide, et de ce fait les couches d'air humide ne se forment pas, diminuant la probabilité de retour au liquide.




Le diagramme du corps pur indique que sous une pression de 1 bar, et à 20°C, l'état stable de l'eau est l'état liquide. Mais le diagramme du corps pur décrit un système FERME, constitué d'un corps pur en vase clos, sans possibilité d'échanges de matière avec l'extérieur. L'eau du verre est en contact avec l'atmosphère, et ne constitue pas un système fermé.





II - Pourquoi ...
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III-1/ ... on n'a pas besoin de chauffer l'eau pour qu'elle se transforme en vapeur (cf. le séchage du linge sur un séchoir en appartement)?
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Eh bien, justement parce que l'eau s'évapore A TOUTE température.




III-2/ ... si on chauffe de l'eau, même modérément, elle devient vapeur plus rapidement (séchage du linge au soleil)?
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Si on chauffe de l'eau, on augmente la quantité de vapeur d'eau formée par évaporation; par conséquent la quantité d'eau liquide diminue plus rapidement.




III-3/ ... si on expose l'eau au vent, elle devient vapeur plus rapidement (séchage du linge par temps de vent)?
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Le vent permet de déplacer l'air, et avec la vapeur d'eau formée au voisinage de la surface de l'eau. Or on a vu que plus il y a de vapeur d'eau près du liquide et moins il s'en forme. Donc retirer la vapeur d'eau au fur et à mesure qu'elle se forme permet d'augmenter la vitesse d'évaporation.


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(1) Si vous ne connaissez pas le diagramme d'état du corps pur, ça n'est pas grave, vous n'en avez pas besoin. Sautez directement au paragraphe suivant. Toutefois, pour une introduction au diagramme d'état du corps pur, voir n'importe quel livre de chimie physique de niveau premier cycle universitaire, comme:

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