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Question du jour : « comment peut-il y avoir un cycle de l'eau sans qu'à aucun moment l'eau n'atteigne 100°C ? »
Réponse : l'eau ne s'évapore pas seulement à 100°C.

Cette question est assez récurrente, et elle vient de la confusion entre deux termes : l'évaporation et l'ébullition.

La compréhension de la différence entre les deux phénomènes suffit pour répondre à notre question.


Pression de vapeur, pression de vapeur saturante

De la vapeur d'eau se trouve naturellement dans l'air : parmi l'oxygène, l'azote et d'autres gaz, il y'a un tout petit peu de vapeur d'eau (qui est aussi un gaz).

La pression de vapeur est une grandeur qui permet de définir la quantité d'eau dans l'air (par exemple, 10 molécules d'eau par m³ d'air).
La pression de vapeur saturante c'est la quantité maximale de vapeur d'eau que l'air peut contenir.
Si la pression de vapeur est saturante, le maximum est atteint et l'air est dit « saturé en eau ».

L'hygrométrie - ou humidité relative, dont on parle à la météo - c'est justement la pression de vapeur d'eau dans l'air divisé par la pression de vapeur saturante. Donc si l'humidité est de 70%, c'est que l'air possède entre encore de la place (30%) pour accueillir de l'eau.

Évaporation

Je vais expliquer maintenant pourquoi il y'a de la vapeur d'eau dans l'air, même en dessous de 100°C.

Imaginons un verre d'eau dans un bocal fermé. On place de l'air sec (hygrométrie : 0%) au dessus du verre, et on ferme le bocal.
L'air étant sec, la pression de vapeur d'eau est inférieure à la pression de vapeur saturante. L'air est donc capable d'accueillir de la vapeur d'eau. Et c'est ce qu'il se passe : des molécules d'eau se détachent alors une par une du liquide et passent à l'état gazeux. Quelques molécules d'eau finissent fatalement aussi par retourner dans l'eau.

Quand des molécules d'eau arrivent dans l'air, la quantité d'eau dans l'air augmente, et donc par définition, la pression de vapeur augmente. Tant que l'air n'est pas saturé, plus d'eau s'évaporera depuis la surface qu'il en retombe dans l'eau. À saturation, il y'a un équilibre et la pression de vapeur a atteint la pression de vapeur saturante.

Ce phénomène se produit tout le temps, quelque soit la température ou la pression. La seule chose qui change c'est son l'intensité (plus importante s'il fait chaud que s'il faut froid).

On comprend donc que même sans bouillir, il y'a une évaporation de l'eau en surface.

Si on place notre verre d'eau non pas dans un bocal, mais dans l'atmosphère (un réservoir de taille infini), il se videra complètement au fur et à mesure que les molécules quitteront la surface (l'eau du verre n'est pas suffisante pour saturer toute l'atmosphère.

Ébullition

Une question peut vous venir à l'esprit : si l'eau s'évapore quelque soit la température, pourquoi y'a t-il un point d'ébullition ??

Bien. Vous avez vu que la pression de vapeur varie : plus il y'a de vapeur dans l'air, plus la pression de vapeur est grande. Il y'a simplement une limite qui est la pression de vapeur saturante que l'on ne peut pas dépasser. Cette limite est constant pour une température donnée.
En fait, elle augmente avec la température : s'il fait très chaud, la pression saturante augmente et s'il fait très froid, cette pression saturante diminue ! Dans les faits, cela se traduit de la façon suivante : un volume d'air à 70°C est capable de contenir une plus grande quantité de vapeur d'eau que le même volume d'air à 30°C.

La température d'ébullition, c'est juste une température suffisamment haute pour que la pression de vapeur saturante atteigne la pression ambiante (la pression atmosphérique).
L'eau ne pouvant alors plus s'évaporer dans l'air, il s'évapore dans lui même et on voit apparaître des bulles dans le liquide : c'est l'ébullition. La production de vapeur va chasser l'air au dessus de la casserole d'eau et toute l'eau va finir par s'évaporer très rapidement.

Il se trouve qu'au niveau de la mer, la pression de vapeur saturante de l'eau et la pression atmosphérique sont égales à 100°C. C'est la raison pourquoi l'eau bout à 100°C au niveau de la mer.
Le point d'ébullition est défini par un couple [température, pression] unique. À chaque pression, il y'a une température d'ébullition différente. En haut de l'Everest par exemple, la baisse de pression due à l'altitude est telle que l'eau bout à 70°C.

En conclusion…

L'évaporation se fait à n'importe quelle température et à n'importe quelle pression, c'est juste l'intensité du phénomène qui varie.
l'ébullition, elle, n'a lieu qu'à des conditions de température et de pression très précises (100°C si on est à pression standard (101 325 Pascal)).

Tout dépend de l'humidité de l'air : si l'air est déjà saturé, le verre ne se videra pas, mais si l'air n'est pas saturé en eau, alors de l'eau s'évaporera jusqu'à saturation.

Au fait… Si l'air est saturé et qu'on baisse la température, la pression de vapeur saturante (qui dépend de la température) diminue, donc l'air est sur-saturé : l'eau se liquéfie en gouttelettes, ces gouttelettes grossissent et tombent : il pleut.

image de Ber'Zophus

7 commentaires

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Guenhwyvar a dit :

Donc si tu mets le chauffage à fond chez toi, que tu satures l'air et que tu coupes le chauffage par une froide nuit d'hiver, il pleut dans la maison o/

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Le Hollandais Volant a dit :

Si tu refroidit suffisamment vite (genre passes de 60°C à 10°C d'un seul coup, oui.

(si c'est trop lente, la liquéfaction se fait sur les vitres et par terre (formation de buée) plutôt que dans l'air.

Mais si c'est pour qu'il pleuve dans la maison, autant vivre outre-manche et sortir dehors :D

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scout123 a dit :

La pression atmosphérique influe sur la température à laquelle l'ébullition se produit. La température de l'eau peut être stabilisé si la pression l'est aussi : la cocotte-minute fait augmenter la pression, ce qui amène la température d'ébullition à environ 120°.
La température et la pression sont donc directement liés (0 kelvin = le zéro absolu).

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scout123 a dit :

La pression atmosphérique influe sur la température à laquelle l'ébullition se produit. La température de l'eau peut être stabilisé si la pression l'est aussi : la cocotte-minute fait augmenter la pression, ce qui amène la température d'ébullition à environ 120°.
La température et la pression sont donc directement liés (0 kelvin = le zéro absolu).

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Le Hollandais Volant a dit :

Yep !

Et si on ouvre une cocote minute trop vite, la pression descend, et l'eau bout violemment. Très dangereux.

Il existe aussi différents "états bonus" que la chimie nous a donnée : la surchauffe par exemple : l'eau est alors liquide à des températures très hautes >100°C (parfois 140°C), même à pression normale. L'eau est alors très instable : un simple ajout d'une cuillère, d'un sucre ou un petit choc (un bruit aussi donc) peut faire bouillir d'un coup toute l'eau dans le verre.

C'est ce qui se passe quand on met de l'eau pure dans un four à micro-ondes : l'eau chauffe, mais il n'y a pas de convection : l'eau n'est pas chauffée par en dessous, et il peut ne pas entrer en ébullition.
Quand la personne arrive et prend le verre, l'eau lui explose à la figure, causant de graves brûlures.
Il ne faut jamais mettre de l'eau au micro-ondes ! Toujours mettre de la soupe, ou de l'eau salée ou sucrée, mais jamais de l'eau pure.


La même chose existe avec la glace : l'eau peut-être liquide à des températures de -30°C assez facilement : il faut une eau très pure et un verre très lisse. Versez une impureté dedans et il gèlera instantanément.

C'est ce qui se passe dans certaines vidéos de youtube avec des bières : ils refroudissent les bouteilles en dessous de 0°C et en les sortant du frigo un simple coup de la bouteille sur la table suffit à geler la bouteille.
Et comme l'eau est l'un des seuls éléments donc la phase solide est plus volumineuse que la phase liquide, parfois ça peut faire boom...

En fait, l'eau est passionnante^^.

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kinou a dit :

bonsoir ,une question me trotte, dans un récipient fermé style chaudière on parle de vapeur saturante ,es que l'eau passe par une étape ébullition?

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