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 disperser car l'attraction intermoléculaire les maintient liées. En revanche, l'attraction entre les molécules de gaz est faible, empêchant ainsi leur fusion. Lors de leur déplacement, les molécules d'eau possèdent une vitesse. Certaines molécules d'eau se déplacent à grande vitesse, tandis que d'autres ont une vitesse plus 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 l'attraction intermoléculaire ne suffise plus à les maintenir ensemble. De même, pour les fusées qui s'élancent dans l'espace, la vitesse d'une fusée est telle que la force gravitationnelle terrestre ne peut plus la retenir sur Terre. Seules les molécules se déplaçant à grande vitesse peuvent échapper à l'attraction intermoléculaire. Les molécules à faible vitesse restent liées, à l'instar des molécules d'eau.
Les molécules d'eau possèdent une masse et une vitesse, ce qui leur confère une énergie cinétique (Ec = 1/2 mv²). Les molécules d'eau se déplaçant à grande vitesse ont 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 entre elles (celles qui se transforment en vapeur) possèdent une énergie cinétique considérable. 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 ; par conséquent, une plus grande quantité d'eau se vaporise. Ceci est cohérent avec les résultats de recherches montrant que le taux d'évaporation est généralement plus élevé à haute température.
Lorsqu'on fait sécher du linge au soleil, celui-ci absorbe la chaleur émise par les rayons du soleil. Cet apport d'énergie solaire augmente l'énergie cinétique des molécules d'eau contenues dans le linge. Ces molécules se déplacent alors plus rapidement. Une fois une certaine valeur atteinte, elles se libèrent de l'attraction gravitationnelle qui les unit 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 ambiante contribue également au séchage (la chaleur se propage de l'air au linge humide par conduction).
Par temps chaud, le sol se réchauffe. Il réchauffe l'air ambiant (transfert de chaleur par conduction). L'air chaud se dilate (sa densité diminue) et monte. Lorsqu'on frotte des vêtements mouillés, les molécules d'eau entrent en contact avec celles à l'intérieur du tissu. Plus elles se déplacent vite, plus leur énergie cinétique augmente. Ces molécules d'eau, en mouvement rapide, percutent d'autres molécules d'eau. Sous l'effet de ces chocs continus, elles accélèrent encore (leur énergie cinétique augmente). Lorsque leur vitesse ou leur énergie cinétique atteint une certaine valeur, les molécules d'eau, libérées de l'attraction entre elles, se transforment en vapeur. L'énergie cinétique des molécules d'eau est étroitement liée à la température. Plus l'énergie cinétique est élevée, plus la température de l'eau 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 d'une molécule est élevée, plus sa vitesse est grande. Ou inversement, plus la vitesse de la molécule est élevée, plus son énergie cinétique est élevée.
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 relativement élevée. Grâce à cette énergie cinétique moyenne considérable, de nombreuses molécules d'eau atteignent des vitesses importantes. Ces molécules, à grande vitesse, peuvent échapper aux forces d'attraction entre elles et se transformer en vapeur. Les molécules d'eau à faible vitesse (celles qui possèdent une faible énergie cinétique) ne se transforment pas en vapeur. Ainsi, lorsque les molécules d'eau à grande vitesse se transforment en vapeur, l'énergie cinétique moyenne des molécules d'eau diminue. Plus l'énergie cinétique moyenne est faible, plus la température de l'eau est basse. D'après cette brève description, on peut affirmer que l'évaporation est un processus de refroidissement.
Le processus de refroidissement par évaporation est omniprésent dans la vie quotidienne. Lorsque l'air est chaud, le corps absorbe une grande quantité de chaleur. Pour maintenir une température corporelle constante, il évacue généralement cette chaleur par la transpiration. La transpiration, en absorbant la chaleur du soleil et de l'air ambiant, voit son énergie cinétique augmenter. Cette augmentation d'énergie cinétique se traduit par une augmentation de la vitesse des molécules de sueur, qui se transforment alors en vapeur. Lorsque la transpiration s'évapore, le corps ressent une sensation de fraîcheur.
Généralement, après un bain, notre corps a une sensation de fraîcheur. Cela s'explique par l'évaporation de l'eau qui adhère à la surface de la peau.
Le processus d'évaporation décrit précédemment se produit quotidiennement. L'eau de mer, l'eau des lacs et l'eau des rivières peuvent également s'évaporer.
La pression de vapeur
Le terme « vapeur » désigne ici la vapeur d'eau. Observez la figure : un récipient fermé rempli d'eau (supposons que l'air qu'il contenait 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 qui possèdent une vitesse et une énergie cinétique élevées peuvent échapper aux forces d'attraction entre elles et se transformer en vapeur.
Le même processus se produit avec les molécules d'eau contenues dans un récipient. 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). La quantité de molécules d'eau qui se vaporisent est importante, ce qui augmente le risque de collisions entre les molécules et les parois du récipient.
Certaines molécules qui percutent les parois du récipient sont réfléchies vers la surface de l'eau et s'y mélangent. 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 percutent 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. Lorsque cet équilibre est atteint, la surface du récipient contenant le gaz est dite saturée. La pression de vapeur dans la zone saturée est appelée pression de vapeur saturante.
Le passage de l'état liquide à l'état gazeux s'appelle l'évaporation. En revanche, le passage de la vapeur d'eau 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. Si 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 à grande vitesse se transforment en vapeur (passage de l'état liquide à l'état gazeux). Le volume du récipient étant fixe, la pression de vapeur dépend uniquement du nombre de molécules (N) et de leur vitesse (v).
Plus le nombre de molécules se transformant en vapeur est élevé et plus leur vitesse 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 est également plus élevée. La pression de vapeur saturante n'est atteinte que lorsqu'un équilibre est établi.
La pression de vapeur dépend du volume, contrairement à la pression de vapeur saturante. Si le volume du récipient augmente ou diminue, un équilibre s'établit. L'illustration ci-dessus vise uniquement à illustrer la pression de vapeur saturante présente dans l'atmosphère. La différence réside dans le fait que, dans l'exemple précédent, nous supposons l'absence d'eau dans la partie du récipient qui n'en contient pas. Par conséquent, cette partie est uniquement occupée par de la vapeur d'eau. En revanche, la surface de la Terre est toujours remplie d'air. Les collisions entre les molécules de vapeur d'eau et les autres molécules de gaz ne font que prolonger l'équilibre. Cependant, à un certain point, un équilibre est atteint lorsque le nombre de molécules d'eau se transformant en vapeur est égal au nombre de molécules de vapeur se transformant en eau.
