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.
