Théorie cinétique
Le processus d'évaporation s'explique par la théorie cinétique. À l'instar des molécules de gaz, les molécules d'eau sont en mouvement. La différence réside dans le fait que les molécules d'eau ne peuvent se séparer car les forces d'attraction entre elles les maintiennent liées. En revanche, les forces d'attraction entre les molécules de gaz sont très faibles, ce qui empêche leur adhésion. Lors de leur déplacement, les molécules d'eau possèdent une vitesse. Certaines ont une vitesse élevée, tandis que d'autres ont une vitesse faible. La distribution des vitesses des molécules d'eau suit une loi de Maxwell.
L'évaporation se produit lorsque la vitesse des molécules d'eau est suffisamment élevée pour que la force d'attraction entre elles ne puisse plus les maintenir liées. De la même manière qu'une fusée s'élance dans l'espace, sa vitesse est telle que la force gravitationnelle terrestre ne peut plus l'empêcher de rester sur Terre. Il est important de noter que seules les molécules se déplaçant à grande vitesse peuvent échapper aux forces d'attraction intermoléculaires. Les molécules se déplaçant à faible vitesse s'assemblent néanmoins pour former de l'eau.
Les molécules d'eau possèdent une masse et une vitesse, ce qui leur confère une énergie cinétique (EK = 1/2 mv²).2Les molécules d'eau se déplaçant à grande vitesse possèdent une énergie cinétique supérieure à celles se déplaçant à faible vitesse. Ainsi, on peut affirmer que les molécules d'eau capables de s'affranchir des forces d'attraction intermoléculaires (celles qui se vaporisent) possèdent une énergie cinétique relativement élevée. Généralement, l'énergie cinétique des molécules d'eau augmente avec la température. Si la température de l'eau est suffisamment élevée, l'énergie cinétique des molécules d'eau augmente également, ce qui favorise la vaporisation. Ceci est conforme aux résultats de recherches montrant que le taux d'évaporation est généralement plus important à haute température.
Lorsqu'on fait sécher du linge au soleil, celui-ci absorbe la chaleur émise par les rayons du soleil. Cette énergie supplémentaire augmente l'énergie cinétique des molécules d'eau contenues dans le linge. Ces molécules s'agitent alors plus vite. Une fois une certaine valeur atteinte, elles s'affranchissent des forces d'attraction entre elles et se transforment en vapeur. Il est important de noter que le séchage du linge ne dépend pas uniquement de la chaleur solaire. La chaleur de l'air ambiant contribue également au séchage (transfert de chaleur par conduction).
Par temps chaud, le sol se réchauffe plus rapidement. Cette rapidité est due à sa chaleur spécifique élevée. Le sol réchauffe l'air ambiant (transfert de chaleur par conduction). L'air chaud se dilate (sa densité diminue) et monte. Au contact de vêtements mouillés, les molécules d'air entrent en collision avec les molécules d'eau. Ces dernières s'agitent davantage et leur énergie cinétique augmente. Elles entrent ensuite en collision avec d'autres molécules d'eau, ce qui accroît leur accélération et leur énergie cinétique.
Lorsque leur vitesse ou leur énergie cinétique atteint une certaine valeur, les molécules d'eau en mouvement rapide peuvent s'affranchir de l'attraction entre elles et se transformer en vapeur. L'énergie cinétique des molécules d'eau, comme celle des molécules d'air, est étroitement liée à la température. Plus l'énergie cinétique des molécules d'eau est élevée, plus leur température est élevée. Inversement, plus la température de l'eau est élevée, plus son énergie cinétique est importante. L'énergie cinétique est également liée à la vitesse : plus l'énergie cinétique des molécules est grande, plus leur vitesse est élevée. Et inversement, plus leur vitesse est élevée, plus leur énergie cinétique est importante.
Qu'en est-il de l'eau chaude ? L'eau chaude a une température élevée. Du fait de cette température élevée, les molécules d'eau possèdent une énergie cinétique moyenne importante. Cette énergie cinétique élevée leur confère une grande vitesse (elles se déplacent rapidement). Ces molécules d'eau, grâce à leur grande vitesse, peuvent s'affranchir des forces d'attraction intermoléculaires et se transformer en vapeur. Seules les molécules d'eau à grande vitesse (celles qui possèdent une énergie cinétique élevée) s'évaporent, tandis que celles à faible vitesse (celles qui possèdent une faible énergie cinétique) restent immobiles. Ainsi, lorsque les molécules d'eau à grande vitesse se transforment en vapeur, l'énergie cinétique moyenne des molécules d'eau restantes diminue. Plus l'énergie cinétique moyenne est faible, plus la température de l'eau baisse (l'eau se refroidit). En résumé, l'évaporation est un processus de refroidissement.
Le refroidissement par évaporation est un phénomène courant. Lorsque l'air est chaud, le corps absorbe beaucoup de chaleur. Pour maintenir une température corporelle constante, il évacue généralement cette chaleur par la transpiration. La sueur, recevant de la chaleur supplémentaire du soleil et de l'air ambiant, voit son énergie cinétique augmenter. Cette augmentation d'énergie cinétique entraîne une augmentation de la vitesse des molécules de sueur, qui se transforment alors en vapeur. Lorsque la sueur s'évapore, le corps se rafraîchit. Autre exemple : après une douche, notre corps est généralement frais. Cela s'explique par l'évaporation de l'eau qui adhère à la surface de la peau.
Le processus d'évaporation décrit ci-dessus se produit quotidiennement. L'eau de mer, l'eau des lacs et l'eau des rivières peuvent également s'évaporer…
Pression de vapeur
Le terme « vapeur » désigne ici la vapeur d'eau. Observez l'image. Un récipient fermé est rempli d'eau (supposons que l'air ait été retiré). Selon la théorie cinétique, les molécules d'eau sont en mouvement constant. Ce mouvement leur confère une vitesse et une énergie cinétique. Les molécules d'eau suffisamment rapides et énergétiques peuvent échapper aux forces d'attraction entre elles et se transformer en vapeur. Le même processus se produit pour les molécules d'eau du récipient voisin. Au fil du temps, de plus en plus de molécules d'eau se transforment en vapeur. Le récipient étant fermé, les molécules d'eau vaporisées ne peuvent s'échapper dans l'atmosphère (elles sont piégées à l'intérieur). Leur nombre est suffisamment important pour que des collisions avec les parois du récipient soient possibles.
Certaines molécules qui heurtent les parois du récipient sont réfléchies vers la surface de l'eau et se combinent pour former de l'eau. Ce processus se répète continuellement. Au fil du temps, de plus en plus de molécules d'eau se transforment en vapeur (passage de l'état liquide à l'état gazeux). Simultanément, certaines molécules qui heurtent les parois du récipient se retransforment en eau (passage de l'état gazeux à l'état liquide). Si le nombre de molécules passant de l'état liquide à l'état gazeux est égal au nombre de molécules passant de l'état gazeux à l'état liquide, un équilibre est atteint. À l'équilibre, la surface du récipient contenant de la vapeur est dite saturée. La pression de vapeur dans cette zone saturée est appelée pression de vapeur saturante.
Le passage de l'état liquide à l'état gazeux s'appelle l'évaporation. Le passage de l'état gazeux à l'état liquide s'appelle la condensation. Il est important de noter que la pression de vapeur saturante dépend uniquement de la température et non du volume. Lorsque la température de l'eau augmente, l'énergie cinétique de ses molécules augmente également.
L'énergie cinétique des molécules d'eau augmente, ce qui entraîne une augmentation de leur vitesse. Ainsi, un nombre croissant de molécules, animées d'une grande vitesse, se vaporisent (passent de l'état liquide à l'état gazeux). Le volume du récipient étant constant, la pression de vapeur dépend uniquement du nombre de molécules (N) et de leur vitesse (v).
Plus le nombre de molécules (N) qui se vaporisent est élevé et plus leur vitesse (v) est grande, plus la pression de vapeur augmente. L'équilibre s'établit donc à une pression de vapeur plus élevée. Par conséquent, la pression de vapeur saturante augmente également. La pression de vapeur saturante n'est atteinte qu'à l'équilibre. Le graphique suivant illustre l'évolution de la pression de vapeur saturante de l'eau en fonction de la température.
La pression de vapeur dépend du volume, contrairement à la pression de vapeur saturante. Si le volume d'un récipient augmente ou diminue, un équilibre finit par être atteint. L'illustration ci-dessus vise simplement à vous aider à comprendre la pression de vapeur saturante présente dans l'atmosphère. La différence réside dans le fait que, dans l'illustration précédente, nous supposions l'absence d'air dans la partie du récipient ne contenant pas d'eau. Par conséquent, cette partie était uniquement occupée par de la vapeur d'eau. À l'inverse, la surface de la Terre est toujours remplie d'air. Les collisions entre les molécules de vapeur et les autres molécules de gaz ne font que retarder l'établissement de l'équilibre. Cependant, cet équilibre est atteint lorsque le nombre de molécules d'eau se transformant en vapeur est égal au nombre de molécules de vapeur se recombinant en eau.
