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{{Voir homonymes|Évaporation (homonymie)}}
[[File:Évaporation de l'eau de pluie sur un toit.jpg|
L{{'}}'''évaporation
== Histoire ==
Jusqu'à la fin du {{s-|XVIII}}, on s'intéresse à l'aspect thermodynamique du phénomène et [[Joseph Black]] met en évidence la notion de [[Enthalpie de vaporisation|chaleur latente de vaporisation]] (1761).
[[John Dalton]] est le premier, en 1802, à donner une loi de [[vaporisation]] pour l'eau faisant intervenir la différence entre pression de vapeur saturante et pression partielle<ref>{{article|langue=en|auteur=[[John Dalton]]|titre= Experimental Essays on the Constitution of Mixed Gases: On the Force of Steam or Vapour from Water or Other Liquids in Different Temperatures, Both in a Torricelli Vacuum and in Air; on Evaporation; and on Expansion of Gases by Heat|périodique=Memoirs and proceedings of the [[Manchester Literary and Philosophical Society|Manchester Literary & Philosophical Society]]|volume=5|lieu=Manchester|date=1802|pages=536–602}}.</ref>. Il publie ses travaux en même temps que ceux établissant la [[loi de Dalton]] sur les pressions partielles.
La dynamique du phénomène au niveau microscopique est établie par [[Heinrich Hertz]]<ref name="Hertz">{{article|langue=de|nom=Heinrich Hertz|titre=Ueber den Druck des gesättigten Quecksilberdämpfes|périodique=Annalen der Physik und Chemie|volume=17|année=1882|url=https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k15260s/f3.item.r=.zoom}}.</ref> en 1882 et [[Martin Knudsen]]<ref name="Knudsen">{{article|langue=de|nom=Martin Knudsen|titre=Experimentelle Bestimmung des Druckes gesättigter Quecksilberdämpfe bei O° und Höheren Temperaturen|périodique=Annalen der Physik|volume=29|année=1909|url=https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k153335/f191.item}}</ref> (1909) et [[Irving Langmuir]]<ref>{{article|langue=en|auteur=[[Irving Langmuir]]|titre=The Condensation and Evaporation of Gas Molecules|périodique=[[PNAS]]|volume=3|numéro=3|date=1917|url=https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.3.3.141}}.</ref> en 1917, conduisant à la loi connue aujourd'hui sous le nom de [[relation de Hertz-Knudsen]].
== Phénoménologie ==
[[File:Vapor pressure.svg|vignette|Processus microscopique d'évaporation et de [[condensation]] en surface de liquide.]]
L'évaporation d'un liquide se produit principalement lorsqu'une
Sous l'action de la chaleur {{Incise|c'est-à-dire l'[[énergie thermique]] sous forme d'agitation moléculaire ou rayonnements}} contenue dans le liquide, quelques molécules de surfaces sont propulsées
Dans un volume libre au-dessus d'un liquide formé de molécules d'une [[espèce chimique]] donnée, certaines molécules de cette espèce se trouvent alors sous forme gazeuse. À l'[[équilibre thermodynamique]], la pression gazeuse obtenue définit la [[pression de vapeur saturante]], qui dépend de la [[température]]. Si le liquide est constitué d'un mélange d'espèces, celles-ci se retrouvent dans le gaz avec des [[Pression partielle|pressions partielles]] égales à la pression de vapeur saturante de chacune d'entre elles.▼
▲L'évaporation d'un liquide se produit principalement lorsqu'une des surfaces de ce liquide n'est pas enfermée par un autre liquide ou par un solide.
▲Sous l'action de la chaleur {{Incise|c'est-à-dire l'énergie thermique sous forme d'agitation moléculaire ou rayonnements}} contenue dans le liquide, quelques molécules de surfaces sont propulsées {{Incise|énergie cinétique}} dans l'air.
Lorsque la pression partielle de la vapeur dans le gaz est inférieure à la pression de vapeur saturante, une partie des molécules passe de la phase liquide à la phase gazeuse : c'est l'évaporation, qui demande de fournir la chaleur latente correspondante. Pour un système fermé, ceci a pour effet de refroidir le liquide.
=== Influence de la lumière solaire (« effet photomoléculaire ») ===
En 2019, {{Qui|on}} a réussi à produire des aérogels extrêmement isolants thermiquement et quasiment invisibles (car laissant passer plus de 95 % de la lumière solaire), à partir de matériaux courants, non polluants et peu onéreux ([[silice]] essentiellement)<ref name=AerogelMIT2019>{{Lien web |langue=en |auteur=David L. Chandler |titre=Getting more heat out of sunlight |url=https://news.mit.edu/2019/aerogel-passive-heat-sunlight-0702 |date=2019-07-01 |site=[[Massachusetts Institute of Technology|news.mit.edu]] |consulté le=2023-11-01}}.</ref>. Dans un [[capteur solaire thermique]] simple, un tel [[aérogel]] permet, sans lentilles ni miroir, d'atteindre des températures bien plus élevées qu'avec tous les matériaux antérieurs ; en outre, seul le [[séchoir à point critique]] nécessaire à la fabrication de l'aérogel est coûteux, mais indispensable à l'extraction des solvants du gel tout en préservant sa structure nanométrique. Il devient plus facile d'alimenter des [[processus industriel]]s ou de transformation d'aliments nécessitant des températures de plus de {{tmp|200|°C}} ({{unité|392 [[Degré Fahrenheit|degrés Fahrenheit]]}}) ; sur le toit d'un bâtiment du MIT, {{Citation|un dispositif passif constitué d'un matériau sombre absorbant la chaleur recouvert d'une couche du nouvel aérogel a pu atteindre et maintenir une température de {{tmp|220|°C}}, au milieu d'un hiver de Cambridge quand la température extérieure était de moins de {{tmp|0|°C}}}}<ref name=AerogelMIT2019/>.
Par ailleurs, des chercheurs ont incidemment observé que si de l'eau est contenue dans un hydrogel et exposée à une lumière verte ou à celle du soleil, elle s'évapore à un taux deux à trois fois plus élevé que ce qui est physiquement possible sous l'effet de la seule chaleur (limite thermique). {{Citation|Bien que l'eau elle-même n'absorbe pas beaucoup de lumière, pas plus que l'hydrogel lui-même, lorsque les deux se combinent, ils deviennent de puissants absorbeurs, explique Chen. Cela permet au matériau d'exploiter efficacement l'énergie des photons solaires et de dépasser la limite thermique, sans avoir besoin de colorants foncés pour l'absorption}}<ref name=EvaporationLumiere>{{Lien web |langue=en |auteur=David L. Chandler |titre=In a surprising finding, light can make water evaporate without heat |url= https://news.mit.edu/2023/surprising-finding-light-makes-water-evaporate-without-heat-1031 |site=[[Massachusetts Institute of Technology|news.mit.edu]] |date=2023-10-31 |consulté le=2023-11-01}}.</ref>.
▲Dans un volume libre au-dessus d'un liquide formé de molécules d'une [[espèce chimique]] donnée, certaines molécules de cette espèce se trouvent sous forme gazeuse. À l'[[équilibre thermodynamique]], la pression gazeuse obtenue définit la [[pression de vapeur saturante]] qui dépend de la [[température]]. Si le liquide est constitué d'un mélange d'espèces, celles-ci se retrouvent dans le gaz avec des [[Pression partielle|pressions partielles]] égales à la pression de vapeur saturante de chacune d'entre elles.
Ce phénomène pourrait aussi se produire dans d'autres configurations que celle de l'eau piégée dans un hydrogel et pourrait contribuer à la formation et à l'évolution du brouillard et des nuages<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Yaodong |nom1=Tu |prénom2=Jiawei |nom2=Zhou |prénom3=Shaoting |nom3=Lin |prénom4=Mohammed |nom4=Alshrah |titre=Plausible photomolecular effect leading to water evaporation exceeding the thermal limit |périodique={{PNAS}} |volume=120 |numéro=45 |date=2023-11-07 |issn=0027-8424 |issn2=1091-6490 |doi=10.1073/pnas.2312751120 |consulté le=2023-11-01}}.</ref>. Ce phénomène n'est observé qu'à l'interface air-eau, où les [[photon]]s semblent pouvoir arracher des faisceaux de [[Molécule d'eau|molécules d'eau]] de la surface pour les faire passer dans l'air (à la surface de l'hydrogel dans les exemples précédents, mais possiblement, un phénomène similaire pourrait se produire à l'interface mer-air, dans les embruns, voire en surface des gouttelettes ou microgouttelettes d'eau des nuages ou du brouillard). On cherche déjà à intégrer ce paramètre dans les modèles climatiques et dans la recherche sur le dessalement dopé par l'énergie solaire ; il pourrait aussi améliorer certains processus de séchage<ref name=EvaporationLumiere/>.
Un [[prototype]] constitué de dix couches superposées d'évaporateurs et de condenseurs solaires plats, disposés en un réseau vertical et surmontés d'une isolation transparente en aérogel<ref name=AlambicSolaireMIT_Chine>{{Lien web |langue=en |auteur=David L. Chandler |titre=Simple, solar-powered water desalination |url=https://news.mit.edu/2020/passive-solar-powered-water-desalination-0207 |date=6 février 2020 |site=[[Massachusetts Institute of Technology|news.mit.edu]] }}.</ref> a été fabriqué et testé en Chine par des chercheurs du MIT et de de l'[[université Jiao-tong de Shanghai]]<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Zhenyuan |nom1=Xu |prénom2=Lenan |nom2=Zhang |prénom3=Lin |nom3=Zhao |prénom4=Bangjun |nom4=Li |titre=Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still |périodique=Energy & Environmental Science |volume=13 |numéro=3 |date=2020-03-18 |issn=1754-5706 |doi=10.1039/C9EE04122B |lire en ligne=https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/c9ee04122b |consulté le=2023-11-01 |pages=830–839}}.</ref>. Cet [[alambic]] solaire multicouche récupère efficacement l'énergie de condensation, améliorant considérablement l'efficacité globale de l'appareil : il semble ainsi possible d'augmenter jusqu'à trois ou quatre fois la quantité d'eau produite par un système passif de dessalement solaire, qui est actuellement de {{unité|1,5 [[gallon|gal]]/h/m2}}, soit {{unité|3,78541 l/h/m2}} de surface de collecte solaire. Le prototype, qui est une sorte d'alambic multicouche plat, a produit {{unité|5,78 ld'eau/m2/h}} en présence de soleil, soit {{nobr|1,5 litre}} d'eau récupérée en 15 à {{nobr|20 minutes}}, permettant un dessalement bon marché, capable de produire une [[eau potable]] en zone aride (le record précédent de dessalement passif solaire a été ici plus que doublé)<ref name=AlambicSolaireMIT_Chine/>. En optimisant le design de l'appareil et en multipliant le nombre de couches, des rendements de 700 à 800 % pourraient être espérés ; environ un mètre carré pourrait alors répondre aux besoins en eau potable d'une personne, et les coûts de construction pourraient être abaissés à environ {{unité|100 $/m2}}. En outre, en utilisant judicieusement le [[changement de phase]], ce phénomène pourrait aussi permettre un refroidissement solaire par évaporation<ref name=AlambicSolaireMIT_Chine/>. D'autres groupes de recherche tentent de reproduire ou d'améliorer ces résultats, qui ont d'abord suscité le scepticisme, tant ils étaient contre-intuitifs.
▲Lorsque la pression partielle de la vapeur dans le gaz est inférieure à la pression de vapeur saturante, une partie des molécules passe de la phase liquide à la phase gazeuse : c'est l'évaporation, qui demande de fournir la chaleur latente correspondante. Pour un système fermé, ceci a pour effet de refroidir le liquide. Ce phénomène est décrit par la [[relation de Hertz-Knudsen]] donnant le débit massique par unité d'aire :
=== Pour une seule espèce ===
[[File:Evaporation eau.jpg|thumb|Vitesse d'évaporation de l'eau, surface balayée par une atmosphère neutre (pas d’ébullition, <math>\textstyle p_{H2O}\approx 0</math>).]]
Dans le cas d'une unique [[espèce chimique]], il n'existe pas au niveau microscopique de plan géométrique interfacial entre les deux milieux : les molécules de la région interne (le [[liquide]]) sont liées à leurs voisines dans une géométrie complexe. Si elles acquièrent une énergie cinétique suffisante du fait d'un apport d'énergie externe, l'[[enthalpie de vaporisation]], elles peuvent se libérer dans le milieu adjacent nommé [[couche de Knudsen]], qui forme une partie de la phase gazeuse dans laquelle le milieu est loin de l'[[équilibre thermodynamique]]. Au contraire, une molécule qui arrive au contact peut contracter une liaison qui en fera une partie du liquide.
Ce mécanisme est décrit par la [[relation de Hertz-Knudsen]], donnant le débit massique par unité d'aire de l'interface au niveau macroscopique :
:<math>\dot{m}=\alpha\;\sqrt{\frac{M}{2\pi RT}}\,\left(p_s-p\right)</math>
où <math>\textstyle p</math> est la pression, <math>\textstyle p_s</math> la [[pression de vapeur saturante]], <math>\textstyle M</math> la [[masse molaire]] et <math>\textstyle \alpha</math> un coefficient d'efficacité du phénomène dépendant de l'espèce et de la température <math>\textstyle T</math> (coefficient de « collage », en anglais « sticking coefficient ») tel que <math>\textstyle 0<\alpha \leq 1</math>. <math>\textstyle R</math> est la [[constante universelle des gaz parfaits]]. <math>\textstyle \alpha</math> peut prendre des valeurs comprises dans une large plage, d'une valeur proche de l'unité pour les métaux à des valeurs de l'ordre de 0,01 à 1 pour des liquides<ref name="Paul">{{article|langue=en|nom=B. Paul|titre=Compilation of Evaporation Coefficients|périodique=ARS Journal|volume=9|numéro=2|année=1962}}</ref>. La valeur pour l'eau est voisine de l'unité<ref>{{article|langue=en|auteur1=Purnendu Chakraborty|auteur2=Michael R. Zachariah|titre=Sticking Coefficient and Processing of Water Vapor on Organic-Coated Nanoaerosols|périodique=[[Journal of Physical Chemistry A]]|volume=112|date=2008|pages=966-972|url=https://mrzgroup.ucr.edu/sites/default/files/2019-02/2008_jpc_purnendu.pdf}}</ref>.
L'équilibre, correspondant à un débit nul, est atteint lorsque <math>\textstyle p=p_s</math>. La [[condensation]] correspond à un débit négatif. Condensation et évaporation ne sont donc qu'un seul [[phénomène physique]] et ne diffèrent que par leur bilan final.
Dans le cas d'un mélange formé de plusieurs espèces liées faiblement, par exemple une espèce dans un solvant, les liaisons diminuent la pression de vapeur d'équilibre. On parle alors d'une diminution d'activité liée au solvant.▼
=== Pour plusieurs espèces ===
Pour un milieu formé de plusieurs espèces dont les potentiels d'interaction en phase liquide sont semblables entre eux et avec les autres composants, la loi de Hertz-Knudsen reste valide pour chaque constituant en multipliant sa pression de vapeur saturante par sa [[fraction volumique]] dans le liquide, conformément à la [[loi de Raoult]], et en remplaçant la pression par la [[pression partielle]]. Ceci suppose que le milieu gazeux se comporte comme un mélange de [[gaz parfait]]s obéissant à la [[loi de Dalton]]<ref>{{ouvrage|langue=en|auteur=Van P. Carey|titre=Liquid-Vapor Phase-Change Phenomena|éditeur=[[CRC Press]]|date=2007|isbn=1591690358}}</ref>{{,}}<ref>{{ouvrage|langue=en|auteur=Robert W. Schrage|titre=A Theoretical Study of Interphase Mass Transfer|éditeur=Columbia University Press|date=1953}}</ref>.
=== Différences entre évaporation et ébullition ===▼
▲
L'évaporation est un phénomène surfacique où les molécules à la surface passent progressivement d'un état à l'autre alors que l'[[ébullition]] est un phénomène volumique (les bulles naissent dans le liquide).▼
=== Problèmes couplés ===
[[File:10. Ладење при испарување.ogv|vignette|Démonstration du refroidissement par évaporation d'[[éthanol]].]]
Il existe beaucoup de problèmes où l'évaporation est couplée à un autre phénomène modifiant le milieu gazeux. Il peut s'agir de [[Diffusion de la matière|diffusion]] comme dans l'évaporation d'un nuage de gouttes dans les problèmes de combustion interne ou de l'évaporation en milieu poreux comme le [[séchage]]. Il peut également s'agir de convection comme dans les problèmes d'évaporation de surfaces d'eau (mers, lacs).
Dans tous les cas l'apport (ou non) d'énergie joue un rôle primordial dans l'évolution du phénomène qui est [[endothermique]]. Par exemple l'évaporation de {{unité|1|[[gramme]]}} d'eau à {{tmp|25|°C}} nécessite environ {{unité|2400|[[joule]]s}} ({{unité|580|[[calorie]]s}}), soit la même énergie que pour élever la température de {{unité|580|
▲=== Différences entre évaporation et ébullition ===
[[Fichier:Verdunstungshöhe.svg|vignette|Évaporation par mois et par matériau en Allemagne, années [[1893]]-[[2014]].]]▼
L'[[ébullition]] se produit lorsque la pression de vapeur saturante devient supérieure à la pression totale initiale du milieu. Il y a alors emballement du phénomène de changement de phase avec augmentation de la surface interfaciale par création de bulles.
▲L'évaporation est donc un phénomène surfacique où les molécules à la surface passent progressivement d'un état à l'autre alors que l'[[ébullition]] est un phénomène volumique (les bulles naissent dans le liquide).
== Évaporation de l'eau ==
L'évaporation demande en général une importante quantité d'[[énergie]] (la [[chaleur latente]] de vaporisation), ce qui permet par exemple la [[thermorégulation|régulation de température]] chez les [[homéotherme]]s par [[transpiration animale|transpiration]] et évaporation de la [[sueur]], ou encore le rafraîchissement d'une cruche en terre, ou de l'air par nébulisation ([[aérosol]] d'[[eau]]).▼
{{Article connexe|Cycle de l'eau}}
Dans le [[cycle de l'eau]], indispensable à la [[vie]] sur Terre, l'[[eau]] liquide s'évapore, se [[Condensation|recondense]] en [[nuage]], puis retombe en [[pluie]] ou [[neige]]. On parle d{{'}}''évaporation'' pour l'eau des océans et des lacs, ainsi que des sols, et plus particulièrement d{{'}}''[[évapotranspiration]]'' pour la [[transpiration des plantes]] et l'évaporation au niveau des sols.
▲Par exemple l'évaporation de {{unité|1|[[gramme]]}} d'eau à {{tmp|25|°C}} nécessite environ {{unité|2400|[[joule]]s}} ({{unité|580|[[calorie]]s}}), soit la même énergie que pour élever la température de {{unité|580|[[gramme]]s}} d'eau de {{tmp|1|°C}}.
▲L'évaporation demande en général une importante quantité d'[[énergie]] (
▲[[Fichier:Verdunstungshöhe.svg|vignette|Évaporation par mois et par
Chez les plantes,
== Notes et références ==
Ligne 76 :
=== Articles connexes ===
{{colonnes|taille=21|
* [[Vaporisation]]
* [[Pression de vapeur saturante]] * [[Évapotranspiration]]
* [[Vapeur d'eau]]
* [[Évaporation des trous noirs]]
Ligne 86 :
* [[Évaporateur]]
* [[Évaporomètre]]
* [[Évaporateur rotatif]]
* [[Formule de Clausius-Clapeyron]]
* [[Graduation de la saumure]]
}}
=== Liens externes ===
* {{Autorité}}
* {{Bases}}
* {{Dictionnaires}}
{{Palette|État de la matière|Procédés de séparation par transition de phase}}
{{Portail|physique|chimie|eau|météorologie}}
[[Catégorie:Thermodynamique atmosphérique|Evaporation]]
[[Catégorie:Transition de phase|Evaporation]]
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