Évaporation

Évaporation de l'eau de pluie sur un toit.

L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Ce phénomène est donc une vaporisation progressive qui a pour effet d'absorber de l'énergie thermique et donc de réduire la température de l’environnement.

Historique de la connaissance

La connaissance de l'existence de l'évaporation est ancienne. Le mot est emprunté au latin impérial evaporatio, -ionis.

Certains auteurs rapprochent l'évaporation du phénomène inverse appelé condensation, dont on sait depuis avant 1830 qu'il est impliqué dans la formation des nuages.

Au XIX^e siècle, John Dalton étudie le volume de vapeur d'eau qui est nécessaire pour saturer l'air. Il remarque que ce volume dépend beaucoup de la température.

Description

Processus microscopique d'évaporation et de condensation en surface de liquide.

L'évaporation d'un liquide se produit principalement lorsqu'une de ses surfaces est libre, c'est-à-dire qu'elle n'est pas enfermée par un autre liquide ou par un solide.

Sous l'action de la chaleur — 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 l'air, gagnant ainsi en énergie cinétique. L'interface entre le liquide et le gaz est appelée couche de Knudsen. La quantité de liquide projetée dans l'air dépend de la température de liquide, de la quantité de liquide déjà présente dans l'air, ou saturation, et de la pression de vapeur saturante.

Les mêmes effets sur un solide conduisent à sa sublimation.

Description physique

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 pressions partielles égales à la pression de vapeur saturante de chacune d'entre elles.

L'état d'équilibre d'un système à une seule espèce est décrit par la formule de Rankine :

$\ln \left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)=-{\frac {\Delta H_{\text{ vap }}}{R}}\left({\frac {1}{T_{2}}}-{\frac {1}{T_{1}}}\right)$

où $p_{1}$, $p_{2}$ sont les pressions aux températures $T_{1}$ et $T_{2}$, $\Delta H_{\text{ vap }}$ l'énergie de vaporisation (ou enthalpie de vaporisation) et $R$ la constante universelle des gaz parfaits.

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 :

${\dot {m}}=\alpha \;{\sqrt {\frac {M}{2\pi RT}}}\,\left(p_{s}-p\right)$

où $p_{s}$ est la pression de vapeur saturante, $M$ la masse molaire et $\alpha <1$ un coefficient d'efficacité du phénomène dépendant de l'espèce et de la température. L'équilibre, correspondant à un débit nul, est atteint lorsque $p=p_{s}$.

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.

Caractéristiques

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).

L'évaporation est un changement d'état lent alors que l'ébullition est un changement d'état rapide.

Facteurs favorisant l'évaporation

Évaporation par mois et par matériau en Allemagne, années 1893-2014.

Évaporation mensuelle selon la hauteur de la mer, en Allemagne, années 1893–2014.

Évaporation annuelle en Allemagne, années 1893–2014.

Évaporation annuelle potentielles (vers Turc / Ivanov) en Allemagne, années 1893–2014.

Les facteurs favorisant l'évaporation sont :

• la surface exposée (étendre le linge favorise l'évaporation),
• le type de matériau imprégné (le nylon sèche plus vite que la laine ou le coton),
• le vent, qui favorise l'évaporation,
• l'humidité de l'air : l'évaporation sera plus importante dans un air sec que dans un air humide,
• un apport de chaleur tel que le soleil favorise le séchage par évaporation, car celle-ci, est endothermique, c'est-à-dire qu'elle absorbe de la chaleur de l'environnement.

Évaporation de l'eau

L'évaporation est un phénomène indispensable dans le cycle de la vie sur Terre. Le cycle de l'eau (l'eau liquide devient nuage, puis retombe en pluie ou neige) requiert cette étape.

L'évaporation demande en général une importante quantité d'énergie (la chaleur latente de vaporisation), ce qui permet par exemple la régulation de température chez les homéothermes par transpiration et évaporation de la sueur, ou encore le rafraîchissement d'une cruche en terre, ou de l'air par nébulisation (aérosol d'eau).

Par exemple l'évaporation de 1 gramme d'eau à 25 °C nécessite environ 2 400 joules (580 calories), soit la même énergie que pour élever la température de 580 grammes d'eau de 1 °C.

Évaporation par les plantes

Chez les plantes, l'évaporation est essentielle pour le transport des nutriments. En effet, grâce aux liaisons hydrogène, les molécules d'eau fonctionnent comme une chaîne, se « tirant » les unes les autres. Ainsi, l'eau qui est puisée dans les racines de la plante est transportée jusqu'aux feuilles grâce à la propriété de la cohésion de l'eau et des cellules conductrices végétales.

Annexes

Articles connexes

• Pression de vapeur saturante
• Évapotranspiration
• Vapeur d'eau
• Évaporation des trous noirs
• Évaporation sous vide
• Évaporation par faisceau d'électrons
• Évaporateur
• Évaporomètre
• Évaporateur rotatif
• Graduation de la saumure