Évaporation

Définition

L'évaporation est un processus physique qui consiste en un passage lent et progressif d'un état liquide à un état gazeux, après avoir acquis suffisamment d'énergie pour surmonter la tension superficielle. Contrairement à l'ébullition, l'évaporation peut exister à n'importe quelle température, plus elle est rapide. Elle produit de la vapeur d'eau et de la vapeur atmosphérique.

La brume est formée par l'évaporation d'eau :

L'évaporation, ici de l'eau d'un lac, provoque une condensation en gouttelettes apparentes qui finit par former une brume ou un brouillard.

Explications

Il n'est pas nécessaire que toute la solution atteigne le point d'ébullition. Lorsqu'il y a un espace libre au-dessus d'un liquide, une partie de ses molécules est sous forme gazeuse. Lorsqu'elle est équilibrée, la quantité de matière gazeuse définit la pression de vapeur saturée, qui ne dépend pas du volume, mais varie en fonction de la nature du liquide et sa température.

Si la quantité de gaz est inférieure à la pression de vapeur saturée, une partie des molécules passe de la phase liquide à la phase gazeuse : c'est l'évaporation. Lorsque la pression de vapeur est égale à la pression atmosphérique, une ébullition intervient.

En hydrologie, l'évaporation de l'eau est l'une des variables hydrologiques importantes lors de l'établissement du bilan hydrique d'un bassin hydrographique donné ou d'une partie de celui-ci. Dans ce cas, il faut distinguer l'évaporation des surfaces libres de l'évaporation du sol.

L'évaporation de l'eau est importante et indispensable dans la vie, car la vapeur d'eau, lorsqu'elle est condensée, se transforme en nuages et revient sous forme de pluie, de neige, de brouillard ou de rosée.

En thermodynamique, l'évaporation est un processus endothermique, en ce sens que la chaleur est absorbée pendant l'évaporation.

Phénomène physique

Le mouvement thermique d'une molécule liquide doit être suffisant pour surmonter la tension superficielle et s'évaporer, c'est-à-dire que son énergie cinétique doit dépasser le travail de cohésion appliqué par la tension superficielle à la surface du liquide.

Par conséquent, l'évaporation se déroule plus rapidement à haute température, à des débits élevés entre le liquide, les phases de vapeur et dans les liquides à faible tension superficielle (c'est-à-dire avec une pression de vapeur plus élevée).

Avec seulement une petite proportion de molécules situées près de la surface et se déplaçant dans la bonne direction pour échapper au liquide à un moment donné, le taux d'évaporation est limité. De plus, à mesure que les molécules d'énergie supérieure s'échappent et que celles qui restent ont une énergie cinétique moyenne inférieure, la température du liquide est réduite.

Ce phénomène est également appelé refroidissement par évaporation. Un exemple de ce phénomène est la transpiration (sueur).

Balance évaporative

Si l'évaporation existe dans un récipient fermé, les molécules qui s'échappent du liquide s'accumulent sous forme de vapeur au-dessus du liquide. Beaucoup de ces molécules retournent à l'état liquide.

Lorsque le processus d'échappement et de retour atteint un équilibre, la vapeur est dite saturée et aucun autre changement de pression de vapeur ou de température du liquide n'intervient.

Déficit hygrométrique

Les facteurs qui conditionnent le taux d'évaporation (habituellement exprimés en mm/jour ou en mm/mois) sont d'une part ceux qui caractérisent l'état de l'atmosphère au voisinage de la surface en évaporation et, d'autre part, le facteurs qui caractérisent la nature et l'état de la surface en cours d'évaporation (eau libre, glace, sol nu, végétation).

Comme forme de corrélation entre l'évaporation et d'autres facteurs météorologiques ayant une influence sur les deux milieux (eau et air), Dalton (1802) propose la formulation suivante : E = K x (p_s-p_v).

Cette équation exprime le taux d'évaporation E directement proportionnel à la différence entre la pression de vapeur saturée (p_s) à la température de l'eau et la pression de vapeur (p_v) dans l'air ambiant. La différence (p_s-p_v) est appelée déficit hygrométrique. La pression de vapeur p_v, et donc l'évaporation E, dépend alors à la fois de la température de l'eau et de l'air.

Détermination (mesure) de l'évaporation

L'évaporation peut être mesurée directement à partir de petites surfaces d'eau naturelles ou artificielles (réservoirs d'évaporation) ou à l'aide d'évaporimètres ou de lysimètres. Ces derniers ont une surface poreuse imbibée d'eau et sont situés dans des conditions telles que la mesure est conditionnée par les caractéristiques météorologiques de l'atmosphère, telles que l'humidité, la température, l'insolation, le vent, etc.

Les taux d'évaporation ainsi observés peuvent généralement être considérés comme des maxima et donnent une bonne approximation du pouvoir évaporatif de l'atmosphère, avec l'indice d'évaporation probable.

En appliquant plusieurs coefficients de réduction auxdites valeurs maximales et en comparant les résultats corrigés avec ceux fournis par les formules d'évaporation, les valeurs les plus probables des taux d'évaporation applicables à la zone d'intérêt seront déduites.

Le plus utilisé des évaporimètres est le type Piche : il consiste en un tube de verre cylindrique de 25 cm de long et 1,5 cm de diamètre. Le tube est gradué et fermé dans sa partie supérieure, tandis que son ouverture inférieure est obturée par une feuille circulaire de papier filtre normalisée de 30 mm de diamètre et de 0,5 mm d'épaisseur, fixée par capillarité et maintenue par un ressort. Remplissant l'appareil à eau distillée, il s'évapore progressivement à travers la feuille de papier filtre.

La diminution du niveau d'eau dans le tube permet de calculer le taux d'évaporation (en mm par 24 heures, par exemple). Le processus d'évaporation est essentiellement lié au déficit d'humidité de l'air; cependant, le dispositif ne prend peut-être pas suffisamment en compte l'influence de l'insolation. Ce dispositif, dans les stations hydrométéorologiques, est installé sous abri.

Les réservoirs ou réservoirs d'évaporation utilisés dans différents pays ont des formes, des dimensions et des caractéristiques différentes, car les spécialistes ne s'accordent pas sur le meilleur type d'utilisation.

Évaporation à partir de surfaces liquides

Les conditions aux limites créées ayant une influence significative, les résultats varient en fonction de l'évaporomètre utilisé pour la détermination.

Si l'on tient compte du fait que les valeurs d'évaporation mesurées sur le site d'intérêt doivent être valables du point de vue statistique pour une durée d'au moins 15 ans, la difficulté est bien comprise. Cela a poussé de nombreux chercheurs à analyser des formules empiriques, ce qui nous permet d'atteindre un résultat aussi proche que possible.

Importance de la variable hydrologique

L'eau s'évapore à la surface de l'océan, à la surface de la terre et aussi par les organismes, lors du phénomène de transpiration chez les plantes et de transpiration chez les animaux. Les êtres vivants, en particulier les plantes, contribuent pour 10 % à l'eau incorporée à l'atmosphère. C'est le cycle hydrologique ou cycle de l'eau.

L'eau sous forme de vapeur monte et se condense pour former les nuages, constitués d'eau en petites gouttes. Celles-ci sont refroidies en accélérant la condensation et en joignant d'autres gouttelettes d'eau pour former des gouttes plus grosses qui finissent par précipiter à la surface de la Terre en raison de leur poids plus important. Les précipitations peuvent être solides (neige ou grêle) ou liquides (pluie). La vapeur d'eau peut également se condenser sous forme de brouillard ou de rosée.

Une partie de l'eau qui atteint la surface de la terre sera utilisée par les êtres vivants. Tôt ou tard, toute cette eau reviendra dans l'atmosphère, principalement à cause de l'évaporation.

Facteurs influençant le taux d'évaporation

🚩 L'air utilisé en exemple ici est le plus courant. Cependant, la phase vapeur peut être constituée d'autres gaz. Les facteurs affectant le taux d'évaporation sont :

• Concentration de la substance s'évaporant dans l'air : si la concentration de la substance s'évaporant déjà dans l'air, la substance donnée s'évaporera plus lentement.
• Concentration d'autres substances dans l'air : si l'air est déjà saturé avec d'autres substances, il peut avoir une capacité inférieure d'évaporation de la substance.
• débit d'air : ceci est en partie lié aux points de concentration ci-dessus. Si de l'air "frais" (c.-à-d. De l'air qui n'est ni déjà saturé ni de la substance) se déplace constamment sur la substance, la concentration de la substance dans l'air risque moins de monter avec le temps, encourageant une évaporation plus rapide. Ceci est le résultat de la diminution de la couche limite à la surface d'évaporation avec la vitesse d'écoulement, diminuant la distance de diffusion dans la couche stagnante.
• Quantité de minéraux dissous dans le liquide.
• Forces intermoléculaires : plus les forces qui maintiennent les molécules à l'état liquide sont fortes, plus il faut d'énergie pour s'échapper. Ceci est caractérisé par l'enthalpie de vaporisation.
• Pression : l'évaporation intervient plus rapidement s'il y a moins d'effort à la surface, empêchant les molécules de se lancer.
• Surface : une substance ayant une plus grande surface spécifique s'évaporera plus rapidement, car il y a plus de molécules de surface par unité de volume potentiellement capables de s'échapper.
• Température de la substance : plus la température de la substance est élevée, plus l'énergie cinétique des molécules à sa surface est importante et donc plus la vitesse de leur évaporation est rapide.

Aux États-Unis, le National Weather Service mesure le taux d'évaporation réel d'une surface d'eau libre normalisée "pan" en plein air, à divers endroits du pays. D'autres font de même dans le monde entier. Les données américaines sont collectées et compilées dans une carte annuelle de l'évaporation. Les mesures vont de moins de 30 à plus de 3 000 mm par an.

Évaporation du corps humain

En évaporant la sueur, 22 % de la chaleur corporelle d'un humain est perdue, car l'eau a une chaleur spécifique élevée et, pour s'évaporer, elle doit absorber la chaleur et la retirer du corps, qui se refroidit. Un courant d'air qui remplace l'air humide par de l'air sec augmente l'évaporation. C'est le mécanisme externe de perte de chaleur du corps humain par évapotranspiration.

Pour évaporer 1 g de sueur de la surface de la peau, il faut environ 0,58 kcal, obtenu à partir du tissu cutané, avec lequel la peau se refroidit et, par conséquent, de l'organisme.

L'évaporation de l'eau dans le corps est produite par les mécanismes suivants :

• Évaporation ou transpiration insensible : elle est réalisée à tout moment et à travers les pores de la peau, à condition que l'humidité de l'air soit inférieure à 100 %. L'eau est également perdue par les voies respiratoires.
• Évaporation superficielle : formation de sueur par les glandes sudoripares, réparties dans tout le corps, mais surtout dans le front, les paumes des mains, les pieds, les aisselles et le pubis.

Utilisations industrielles et en chimie

Considérée comme une opération unitaire, l'évaporation est utilisée pour éliminer la vapeur formée en faisant bouillir une solution ou une suspension liquide pour obtenir une solution concentrée. Cela peut être fait par chauffage ou à pression réduite. Dans la grande majorité des cas, l'évaporation vue comme une opération unitaire fait référence à l'élimination de l'eau d'une solution aqueuse.

L'évaporation sous vide est utilisée dans l'industrie alimentaire pour la conservation des aliments et dans d'autres industries pour le revêtement de divers matériaux.

Les refroidisseurs à évaporation (refroidissement par évaporation), qui peuvent considérablement refroidir un bâtiment en soufflant simplement de l'air sec sur un filtre saturé d'eau.

L'utilisation de l'évaporation sur des échantillons secs ou concentrés est une étape préparatoire courante pour de nombreuses analyses de laboratoire telles que la spectroscopie et la chromatographie. Les systèmes utilisés à cette fin comprennent les évaporateurs rotatifs et les évaporateurs centrifuges.

Lorsque les vêtements sont suspendus à une corde à linge, même si la température ambiante est inférieure au point d'ébullition de l'eau, celle-ci s'évapore. Ceci est accéléré par des facteurs tels que la faible humidité, la chaleur (du soleil) et le vent. Dans une sécheuse, de l'air chaud est insufflé dans les vêtements, permettant à l'eau de s'évaporer très rapidement.

L'évaporation de l'eau d'une saumure produit du sel ignigène.

Dépôt d'évaporation

Des films minces peuvent être déposés en évaporant une substance et en la condensant sur un substrat, ou en dissolvant la substance dans un solvant, en étalant la solution résultante sur un substrat et en évaporant le solvant. L'équation de Hertz-Knudsen est souvent utilisée pour estimer le taux d'évaporation dans ces cas.

En rapport avec "évaporation"

• ébullition

  

  L'ébullition est le processus de passage d'un liquide à l'état de vapeur en formant, sous l'action de la chaleur des bulles de gaz qui remontent à la surface.

• évapotranspiration

  

  L'évapotranspiration est une quantité variable ou physique utilisée en agrométéorologie qui consiste en la quantité d'eau (rapportée à l'unité de temps)...

• évapotranspiration potentielle

  

  Une évapotranspiration potentielle ETP est la quantité maximale d'eau susceptible d'être évaporée par évapotranspiration sous un climat donné par un couvert...

• évapotranspiration réelle

  

  L'évapotranspiration réelle est la quantité totale d'eau qui s'évapore du solsubstrat et des plantes lorsque le sol est à son taux d'humidité naturel.