La FAQ de fr.sci.physique : th0002

I - De quoi parle-t-on ?
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On va expliquer ce qu'est l'air humide, et la différence entre celui-ci et le brouillard (entre autres).

II - Que se passe-t-il ?
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On prend une casserole entièrement remplie d'eau, et fermée par un couvercle étanche. On se place dans une pièce fermée, contenant de l'air (qui est un mélange de gaz, composé en majorité de diazote, de dioxygène et d'argon).

Sous l'effet de l'agitation thermique, l'eau commence à s'évaporer (^[1]).

Comme le volume de la pièce n'est pas infini, l'air commence à s'enrichir en vapeur d'eau, de plus en plus (bien entendu comme c'est la diffusion qui sert à enrichir l'air en vapeur d'eau c'est d'abord l'air au voisinage du liquide qui s'enrichit en vapeur d'eau).

Si on a assez de liquide, que se passe-t-il ?

Les molécules d'eau contenues dans l'air deviennent de plus en plus nombreuses; ces molécules d'eau vont cogner sur tous les objets de la pièce; et peuvent provisoirement s'y fixer. Mais ces objets eux-mêmes vibrent sous l'effet de l'agitation thermique, et expulsent bienôt ces molécules...

Sauf s'il y a trop de molécules d'eau, et qu'un grand nombre d'entre elles arrivent au même endroit dans un très court instant; alors ces molécules s'aglutinent et forment une goutte de liquide. C'est le phénomène de condensation.

Ces gouttes de liquide sont elle-mêmes soumises à l'évaporation; mais l'air contient toujours beaucoup de vapeur d'eau, donc de molécules d'eau qui vont aller s'incorporer à la goutte.

Il y a compétition entre l'évaporation et la condensation au niveau de la goutte, et la situation va finalement évoluer jusqu'à ce qu'il y ait autant de molécules d'eau quittant le liquide que de molécules rejoignant le liquide (ce ne sont pas les mêmes!) par seconde.

Le nombre de molécules du gaz (et donc celui du liquide) est alors constant.

On dit alors que le système est à l'équilibre.

Bien entendu, s'il n'y a pas assez de liquide, ce dernier se vaporise totalement, et on a dans la pièce de l'air humide, sans aucun liquide.

On a vu que s'il y a trop d'eau dans un volume donné d'air, il y a formation de liquide. Sauf que...

... pour qu'il y ait condensation il faut qu'il y ait des objets possédant des aspérités, comme un objet rugueux ou les poussières en suspension dans l'air, pour que puissent se former les microbulles de liquide. En l'absence de ce "germe" , les gouttes ne se formant pas, il ne peut y avoir condensation.

Toutefois, au moindre germe introduit dans un tel air des microbulles de liquide vont se former, grossir et former du liquide. A partir de là la condensation va se produire et on va se retrouver à l'équilibre.

L'état dans lequel l'air se trouve si la concentration en eau dépasse la valeur limite sans qu'il y ait condensation est appelé "air sursaturé". On reparlera plus loin de cette situation.

On se souvient que plus la température est grande, plus les molécules sont agitées. Donc les molécules d'eau de la surface se recoivent plus de chocs, et ont plus tendance à être éjectées. Du coup, on se retrouve avec plus de molécules dans l'air.

Donc, plus la température est élevée, plus il y a de molécules d'eau dans l'air dans un volume donné. On dit que la concentration de vapeur d'eau augmente avec la température.

L'air humide est un mélange de gaz, le diazote, le dioxygène, et la vapeur d'eau; en outre il y règne une certaine pression, appelée pression totale (ne vous inquiétez pas, je vais expliquer la signification de "totale"!).
Dans 1 m^3 d'air sec (sans vapeur d'eau) à 2O°C il y a environ 930 g de diazote et 270 g de dioxygène.
Si on prend 1m^3 d'air, et qu'on en retire le dioxygène (ainsi que les constituants minoritaires), il ne reste que le diazote. Si on offre à ce diazote (930 g) le volume précédemment occupé par l'air (1 m^3) il va y régner une certaine pression, appelée pression partielle en diazote.

Pourquoi "partielle"? C'est en référence de l'air duquel est issu le diazote.

On peut aussi définir la pression partielle en dioxygène (pression dans un échantillon d'air auquel on a retiré tous les constituants SAUF le dioxygène).

La pression TOTALE de l'air est la somme des pressions partielles de chacun des constituants.

Et évidemment, si l'air contient de la vapeur d'eau, on peut définir la pression partielle en vapeur d'eau (pression dans un échantillon d'air auquel on a retiré tous les constituants SAUF la vapeur d'eau).

Le nombre de molécules par unité de volume d'un gaz est lié à la pression qui règne dans ce gaz. Plus il y a de molécules, plus la pression est élevée.

Il en est de même pour les pressions partielles.

A un nombre de molécules (par unité de volume) donné on peut donc associer une certaine pression (partielle dans le cas des mélanges).

Maintenant revenons à la situation où coexistent l'air chargé en vapeur d'eau et les gouttelettes de liquide. On a vu que cette situation correspondait à une concentration en vapeur d'eau déterminée.
Il y correspond donc une pression partielle bien définie.

Cette pression partielle est appelée "pression de vapeur saturante (de l'eau)".

Dans la suite de l'exposé on utilisera la notation P_sat pour désigner la pression de vapeur saturante.

On désire diminuer la concentration en vapeur d'eau, par exemple en augmentant le volume total de la pièce (^[2]).

Augmentons un peu le volume. On a tendance alors à diminuer la concentration en vapeur d'eau de l'air, donc on tend à diminuer la pression partielle en vapeur d'eau, qui devient alors inférieure à P_sat.
Microscopiquement, cela se traduit par une diminution du nombre de molécules qui REJOIGNENT les gouttes d'eau; mais le nombre de molécules qui QUITTENT les gouttes d'eau, lui, ne varie pas (il ne dépend que de la température).
D'où une la quantité de liquide diminue, jusqu'à ce que le nombre de molécules qui rejoint le liquide soit égal au nombre de molécules qui le quittent, ce qui revient à dire qu'on est revenu à la situation initiale, la concentration de vapeur d'eau est revenue à sa valeur de départ, et que la pression partielle en vapeur d'eau est revenue à sa valeur de départ, la pression de vapeur saturante.

Cette dernière dépend donc du nombre de molécules qui QUITTENT les gouttes de liquide, donc de la température.

NB: Toutefois si on continue d'augmenter le volume de la pièce le liquide va finir par disparaître complètement.

On tente d'augmenter la concentration en vapeur d'eau de la pièce, en injectant de la vapeur d'eau (sans changer la pression totale) (^[3]).

Mais si on tend à augmenter la concentration en vapeur d'eau, cela va augmenter le nombre de molécules qui rejoignent les gouttes de liquide. Comme on n'augmente pas le nombre de molécules qui quittent les gouttes, ces dernières vont grossir. Jusqu'à ce que la condition d'égalité des départs et arrivées de molécules sur les gouttes soit respectée à nouveau.

Donc la pression partielle en eau reste égale à la pression de vapeur saturante.

(Pourquoi pas...)

Qu'est-ce qui change dans les raisonnements si on supprime l'air? Pas grand chose, à vrai dire. La pression partielle en vapeur d'eau devient... la pression.

On ne change pas le nombre de molécules qui quittent le liquide, donc in fine on ne change pas la pression de vapeur saturante.

Même chose si au lieu de supprimer tout l'air, on n'en supprime qu'une partie (ce qui revient à diminuer la pression atmosphérique).

Conclusion: la pression de vapeur saturante ne dépend pas de la pression atmosphérique, mais uniquement de la température.

Si on augmente la température, on augmente le nombre de molécules qui quittent le liquide, donc on va augmenter la concentration en vapeur d'eau de l'air (^[4]), donc on augmente aussi la pression de vapeur saturante.

III : Humidité et saturation de l'air
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On a vu que l'air, mélange de gaz, peut en particulier contenir de la vapeur d'eau. La proportion de vapeur d'eau dans l'air est exprimée par le taux d'humidité (ou d'hygrométrie), qui a deux définitions:

Taux absolu d'humidité:

masse de vapeur d'eau contenue dans un volume d'air donné T = ----------------------------------------------------------- le volume d'air en question
Il s'exprime alors en g/m^3.

Taux relatif d'humidité:

pression partielle en vapeur d'eau T = ------------------------------------ pression de vapeur saturante
Il es'exprime alors en %.

Ces deux définitions sont évidemment liées par la relation entre la concentration massique et la pression partielle.

Comme la pression partielle ne peut dépasser la pression de vapeur saturante, le taux d'humidité ne peut dépasser 100% (sauf dans le cas de la sursaturation, traité au paragraphe II-2 ainsi qu'au paragraphe suivant).

Quand le taux d'humidité atteint 100% la formation de gouttelettes de liquide se produit sur les objets et les poussières de l'air.

La concentration en vapeur d'eau a atteint sa valeur maximale et ne peut augmenter (si on essaie de l'augmenter on produit plus de liquide).

La pression partielle en vapeur d'eau est égale à la pression de vapeur saturante P_sat.

La teneur maximale en vapeur d'eau dépend de P_sat, donc de la température.

température (en °C)	teneur max. en vapeur d'eau (en g. m^-3)
10	09
20	17
30	30

On se souvient que pour que se forment les gouttes de liquide il faut un support (par exemple un objet ou une poussière), et qu'en l'absence de ce "germe" on peut en fait dépasser la pression de vapeur saturante. L'air est alors "sursaturé".

Il s'agit d'un état dit "métastable", car à la moindre impureté il va se former brutalement une goutte de liquide, et alors tout le système va réagir de façon à obtenir la pression partielle de l'eau égale à la pression de vapeur saturante.

IV - Comment ...
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La buée se forme quand de l'air chaud et humide entre en contact avec un objet froid. Que se passe-t-il alors?
L'air humide a un taux relatif d'humidité assez élevé, et est refroidi par l'objet. En refroidissant on diminue la pression de vapeur saturante, donc on augmente le taux relatif d'humidité. Si jamais la pression de vapeur saturante devient égale à la pression partielle en vapeur d'eau alors des minuscules gouttelettes d'eau se forment sur l'objet: c'est la buée.

La rosée se forme comme la buée. Le sol se refroidit pendant la nuit par rayonnement, l'air moins. Au contact du sol froid la vapeur d'eau de l'air se condense, en rosée.

Si un faible vent (vitesse inférieure à 3 m.s-1) souffle, l'air entre en contact avec le sol froid, se refroidit puis est remonté par le vent. Les goutelettes issues de la condensation se retrouvent alors en suspension dans l'air, formant le brouillard.