photo de l’océan
Une des questions qui m’a longtemps laissée perplexe, c’est celle de savoir comment les océans peuvent s’évaporer à température ambiante pour former des nuages alors que l’eau ne bout qu’à partir de 100 °C.

Il y a pourtant une réponse très simple à cette question : l’eau entre en ébullition à 100 °C (à pression ambiante j’entends), mais les nuages se forment grâce à l’évaporation, pas forcément l’ébullition. Ces deux phénomènes ne sont pas la même chose.
En effet, l’évaporation a lieu pour n’importe quelle température. L’ébullition, quant à elle, n’a lieu qu’à partir d’un certain seuil de température.

L’évaporation

Lorsque l’on laisse un verre d’eau sur la table, certaines molécules d’eau vont se détacher de la surface du liquide et passer dans l’air. Ces molécules sont alors à l’état de gaz. Il s’agit d’un moyen pour l’eau d’équilibrer sa pression : en surface, la molécule ne subit la pression de l’eau que par en dessous, pas au-dessus. L’air sec exerce une pression égale à celle de l’eau, mais elle reste capable d’absorber de l’eau : la molécule d’eau peut donc passer du liquide à l’air.

Ce phénomène a lieu tout le temps, et si on attend suffisamment longtemps, chaque molécule d’eau du verre passera dans l’air et tout l’eau sera évaporée :

l’eau s’évaporant du verre
Si on place ce verre dans une enceinte fermée, de l’eau continuera toujours de se détacher de la surface pour entrer dans l’air. Or comme l’enceinte est fermée, certaines molécules gazeuses de l’eau, privée de leur possibilité de s’échapper pour de bon, finiront par retourner sur la surface du liquide et par redevenir liquide :

l’eau s’évaporant du verre
Au fur et à mesure de ce processus, il arrivera un stade où le flux de molécules liquides passant à l’état de gaz sera égal au flux de molécules d’eau gazeuse passant à l’état de liquide. C’est donc comme si l’air avait atteint sa contenance maximale en eau. L’on dira de l’air — qui ne peut pas accueillir davantage de molécules d’eau — qu’elle est saturée, et de l’eau dans l’air qu’elle aura atteint sa pression de vapeur saturante (la proportion revenant à l’eau gazeuse de la pression totale dans l’enceinte a alors atteint son maximum). L’air ne peut pas absorber davantage d’eau.

Le système sera dans un état d’équilibre : bien qu’il y aura toujours du mouvement parmi les molécules d’eau, les quantités totales d’eau dans l’air et dans le verre resteront inchangées au fil du temps.

Tout comme un pneu crevé se dégonfle tant que la pression à l’intérieur est plus importante qu’à l’extérieur, de l’eau continue de s’évaporer tant que la pression de l’eau est plus importante que la pression de vapeur saturante. Au-delà on se retrouve dans un équilibre et il n’y a plus de « fuite » de vapeur du liquide vers le gaz.

Maintenant, si on chauffe l’enceinte (ie : si on y injecte de l’énergie) alors davantage de molécules auront assez d’énergie pour devenir gazeux. L’équilibre précédent sera déplacé et davantage de molécules s’évaporeront, jusqu’à ce que le contenu de l’enceinte atteigne un nouvel état d’équilibre :

l’eau s’évaporant du verre
On remarque ici que si l’on chauffe l’enceinte (constituée du verre d’eau et de l’air à l’intérieur) l’air va contenir plus d’eau qu’avant. À l’inverse, si j’avais refroidi l’enceinte, le nombre de molécules se détachant du liquide diminuerait et deviendrait inférieur au nombre de molécules d’eau qui quittent l’air pour l’eau. En refroidissant, l’air contiendra donc moins d’eau.

Une hypothèse ici donc que plus l’air est chaud, plus il peut accueillir d’eau. Une façon plus scientifique de la formuler est que la pression de vapeur saturante dépend de la température.
Cette hypothèse est vraie, et c’est pour cela que nos vêtements sèchent plus rapidement quand il fait chaud : l’eau s’évapore plus rapidement.

Il y a néanmoins une limite à cette logique. Cette limite se situe au cas où la pression de vapeur saturante dépasse la pression du liquide. Et c’est ici que les choses deviennent intéressantes car c’est ce qui se passe dans une casserole d’eau que l’on cherche à faire bouillir !

Quand la pression du liquide est supérieure à la pression de vapeur, il ne peut se créer de bulles : celles-ci seraient recompressées en liquide. Le passage de l’état liquide à l’état gazeux ne peut se faire qu’à la surface : c’est le seul endroit où une molécule d’eau gazeuse n’est pas entourée d’eau de tous les côtés.

L’ébullition

À la température d’ébullition, la pression de vapeur saturante de la vapeur d’eau et la pression du liquide sont égales.

La hausse de température ayant également rehaussé la pression de vapeur saturante. Maintenant, une bulle qui se forme dans l’eau n’est plus forcément recompressée en liquide : elle peut exister. Elle va simplement remonter à la surface par gravité : l’eau bout.

Ces bulles ne contiennent évidemment que de l’eau sous forme gazeuse (et non pas de l’air). Cette formation de bulle constitue le moyen qu’a l’eau pour évacuer la grande quantité de chaleur apportée par votre plaque chauffante.

La température pour laquelle la pression de vapeur saturante atteint puis dépasse la pression ambiante du liquide, est appelée température d’ébullition.

On remarquera que si la pression ambiante diminue, alors la température que l’on doit atteindre pour que la pression de vapeur saturante la dépasse est moins importante. C’est ce qui se passe en altitude : comme la pression atmosphérique est plus basse, on peut y faire bouillir de l’eau à 60 °C.
À l’inverse, dans une cocotte minute, on maintient de force une pression très importante : la température à atteindre est plus grande, et l’eau y rester liquide jusqu’à 120 °C (permettant de cuire plus rapidement vos légumes).

Et les océans ?

Avec tout ceci l’on comprend la différence entre l’évaporation et l’ébullition : la première se fait tout le temps, la seconde se produit quand la température est suffisante pour que la pression de vapeur saturant (qui dépend de la température) dépasse la pression du liquide.

Même en dessous de la température d’ébullition, de l’eau liquide passe dans la phase gazeuse : c’est l’évaporation. Ceci se produit tant que l’air n’est pas saturé en eau. Le niveau de saturation augmente avec la température (plus l’air est chaud, plus il peut contenir d’eau).
L’évaporation des océans est donc favorisée dans les régions chaudes. Sur le linge qui sèche dehors, elle est également favorisée quand il vente : le vent apporte constamment de l’air sec, donc ayant la capacité d’accueillir plus d’eau que l’air déjà humide.

Enfin, notons que quand l’eau passe dans l’air, une molécule d’eau étant plus légère que les molécules de diazote et de dioxygène, la densité moyenne de l’air diminue : l’air humide s’élève dans le ciel, aspirant de l’air sec en dessous. Ceci crée un courant d’air chaud ascendant. Ceci est responsable de la formation d’orages (en produisant des différentiels de températures et d’humidité) et de cyclones dans les cas extrêmes.

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image d’en-tête de Dejan

11 commentaires

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VLoppez écrit :

Merci pour cet article, je me suis souvent poser la question (sans chercher la réponse) de la création des ces bulles au fond de la casserole. Et c'est tellement logique en même temps.

Un petit chapitre sur le gradient adiabatique humide, pour l'élévation du nuage aurait été top ;)

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Isgamo écrit :

Bonjour,
C'est exactement la question que pose ma petite fille de 13 ans à sa grand'mère paludière, en préparant un exposé sur les marais salants !
Merci pour ces explications qui apportent l'explication scientifique à l'expérience !

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psyco écrit :

merci pour l'article , des informations très intéressantes

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jojo écrit :

merci pour ces explications très claires, je les ai lues très attentivement pour être sur d'avoir tout compris et si c'est le cas il me semble qu'il y une inversion dans la ligne 11 en partant du bas :
"quand la température est suffisante pour que la pression du liquide dépasse la pression de vapeur saturante"
sinon c'est que je n'ai pas bien compris et je réessairai.
Encore merci et bravo

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Le Hollandais Volant écrit :

@jojo : en effet, tu as bien tout compris, c’est moi qui me suis emmêlé les pinceaux.

Je viens de corriger dans l’article, merci bien !

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Mohamed écrit :

Je tiens beaucoup à vous remercier pour ces informations intéressantes dont j'avais vraiment besoin.

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John Doe écrit :

Bonjour,

Si je suis votre raisonnement, il serait donc possible de gonfler un ballon de baudruche avec de l'air sec, d'y ajouter de l'eau liquide en quantité suffisante pour saturer l'air en vapeur d'eau.
Ainsi on aurait un ballon qui, au bout de quelques minutes (heures ?) se mettrait à s'élever dans les airs. (du fait de la faible densité de l'eau gazeuse par rapport à l'air).

Ou je me trompe quelque part ?

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Le Hollandais Volant écrit :

@John Doe : Ça marcherait seulement à haute température.

À 20 °C, la saturation de l'air est atteinte quand l’air contient 14,70 grammes d’eau par kilogramme d’air (donc environ 14g d’eau par m³ d'air).
Ça reste très peu. La densité d’un air saturé en eau est donc légèrement plus faible qu’un air sec, mais ce n’est pas suffisant pour compenser le poids du ballon.

À 100 °C par contre, l’eau ne sature plus l’air : 100 % de l’eau peut rester gazeuse et sous forme de vapeur. C’est pour ça que l’eau bout à 100 °C.
Si tu es dans un local avec de l’air sec à 100 °C, et un ballon rempli d’eau sous forme gazeuse, alors le densité de l’air est d’environ 0,95, mais la densité de l’eau dans le ballon est de 0,5 environ.
Là par contre, le ballon pourra s’élever, mais il faut qu’il fasse 100 °C dehors.

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John Doe écrit :

@Le Hollandais Volant : Ok merci pour cette réponse. Dommage ça aurait fait un joli tour de "magie" ;)

Pas sûr que l'audience tienne les 100°C

En tout cas merci pour ton site, très instructif et intéressant

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Yves écrit :

En ce qui concerne l'évaporation, il me semble avoir compris que ce phénomène de surface se manifeste quand la température de la surface du liquide est supérieure à la température de l'air ambiant et du liquide lui même

on peut aussi écrire : L'eau liquide peut se transformer en vapeur d'eau (gaz) selon deux phénomènes différents :

L'ébullition est un phénomène qui concerne la totalité du liquide et qui se produit pour un corps pur et dans un lieu donné, à température constante. Au-dessus de la température d'ébullition (100°c lorsque la pression vaut 1 atmosphère), la substance eau est à l'état de gaz.
L'évaporation est un phénomène de surface qui se produit entre la température de fusion (O°C) et celle d’ébullition. Exemples d’évaporation : la piscine perd de l’eau, l’arbre « fume » quand il est exposé au soleil qui donnent de l’énergie aux molécules d'eau, la transpiration sur la peau chaude s’évapore et du coup prend la chaleur du corps (c’est d’ailleurs son rôle que de baisser la température du corps puisqu’il en prend la chaleur).

L’ébullition, n’a lieu qu’à partir d’un certain seuil de température (100°C) et concerne l’ensemble du liquide.
l’évaporation quant à elle, a lieu pour n’importe quelle température entre 0 et 100 degrés.Le passage de l’état liquide à l’état gazeux ne peut se faire qu’à la surface : c’est le seul endroit où une molécule d’eau gazeuse n’est pas entourée d’eau de tous les côtés car si les molécules d’air attirent celles de l’eau, les molécules d’eau s’attirent aussi entre elles.


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