ATMOSPHÈRE Thermodynamique

La vapeur d’eau atmosphérique et ses transformations

Diagramme des états de l’eau - crédits : Encyclopædia Universalis France — Diagramme des états de l’eau
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Dans l’atmosphère terrestre, l’eau peut se présenter sous trois états :

– la vapeur, état dans lequel les molécules ont des mouvements très désordonnés et s’agitent à grandes vitesses (à titre d’exemple, leur vitesse moyenne est d’environ 2 300 km/h pour une température ambiante de 20 ⁰C) ;

– le liquide, dans lequel les molécules sont liées entre elles, sans toutefois pouvoir établir de structures rigides ;

– la glace, dans laquelle les molécules ont des liens forts et des possibilités de déplacement limitées.

Physique des changements d’état de l’eau

Échanges d’énergie associés aux changements d’état de l’eau - crédits : Encyclopædia Universalis France — Échanges d’énergie associés aux changements d’état de l’eau
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Lorsque la tension de vapeur e atteint une valeur e_s, dite tension de vapeur saturante, les échanges à l’interface entre de la vapeur et du liquide sont équilibrés, la vapeur ne peut pas accueillir plus de molécules qu’elle n’en contient déjà, on dit qu’elle est saturée par rapport à l’eau liquide – ce qui correspond à une humidité relative HU(p. 100) = 100 e/e_s = 100 p. 100. Il en est de même pour l’équilibre à l’interface entre de la vapeur et de la glace qui est atteint pour des valeurs de e égales à e_si, dite tension de vapeur saturante par rapport à la glace. La valeur des tensions de vapeur saturante ne dépend que de la température. Pour des températures (t) comprises entre – 30 ⁰C et + 35 ⁰C, l’équation $e_{s} = 6,112 e x p (\frac{17,67 t}{t + 243,5})$ , où t est exprimée en degrés Celsius, donne une valeur de e_s(t) en hPa, approchée à moins de 0,1 p. 100. À partir de ces valeurs, tout refroidissement, comme tout apport supplémentaire de molécules dans la vapeur, devrait se traduire aussitôt par un transfert de molécules vers le liquide (condensation) ou vers la glace (condensation solide) et, à l’inverse, tout réchauffement, comme toute perte de molécules dans la vapeur, devrait se traduire par un transfert de molécules depuis le liquide (évaporation), ou depuis la glace (sublimation), vers la vapeur pour tenter de la saturer.

De son côté, aux pressions rencontrées dans l’atmosphère, l’équilibre entre de l’eau liquide et de la glace se produit à une température de 0 ⁰C. À ce stade, tout refroidissement devrait se traduire aussitôt par un transfert de molécules du liquide vers la glace (congélation ou solidification) et tout réchauffement par un transfert inverse (fonte ou fusion).

Lorsque, dans de telles transformations, certaines molécules rejoignent des structures plus organisées (condensation, condensation solide, congélation), elles cèdent une partie de leur énergie (libération de chaleur latente) ce qui se traduit par un fort réchauffement de leur environnement. À l’inverse, pour rompre les liens qui les associent à leurs voisines, les molécules, qui s’échappent vers des états moins ordonnés (évaporation, sublimation, fonte), puisent de l’énergie dans leur environnement, ce qui entraîne un fort refroidissement du milieu qu’elles abandonnent. Ainsi, lorsqu’on est mouillé après avoir transpiré ou être resté sous une averse, notre corps se refroidit parce qu’il fournit l’énergie nécessaire à l’évaporation des molécules d’eau liquide qui le recouvrent.

La chaleur libérée ou absorbée lors de ces divers changements d’état est considérable. Un seul kilogramme d’eau libère (ou absorbe) environ 2,5 millions de joules par condensation (ou évaporation), environ 300 000 joules par congélation (ou fonte) et 2,8 millions de joules (soit la somme des énergies mises en jeu dans les deux précédentes transformations) par condensation solide (sublimation), ce qui correspond à l’énergie nécessaire pour faire fonctionner une ampoule de 30 watts pendant plus de vingt-quatre heures.

Sursaturation et surfusion dans les changements d’état de l’eau

La situation est toutefois légèrement différente lorsqu’on est initialement en présence d’une seule phase de l’eau et que les molécules[...]

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Écrit par

Jean-Pierre CHALON : ingénieur général des ponts, des eaux et des forêts honoraire

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Structure verticale de l’atmosphère - crédits : Encyclopædia Universalis France — Structure verticale de l’atmosphère

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