X- Le changement d'état liquide-gaz

    La pression partielle de vapeur d'eau est la pression de l'eau à l'état de gaz si elle était le seul constituant de l'air.
    La pression partielle de vapeur d'eau en équilibre avec de l'eau liquide s'appelle la pression de vapeur saturante, notée e_S   . Elle est indépendante des autres gaz présents. Lorsque la température augmente, l'équilibre est obtenu pour une concentration en vapeur plus grande. La pression partielle de vapeur saturante est donc une fonction croissante de la température :

    Le changement d'état liquide-vapeur traduit la lutte entre deux contraires, l'attraction des molécules d'eau qui tend à les coller les unes contre les autres pour former un liquide, et l'agitation thermique qui les disperse. L'attraction est constante, mais la dispersion augmente avec l'agitation, donc avec la température.
    L'équilibre est atteint quand il y a autant de molécules qui rejoignent le liquide (toutes celles qui sont à son voisinage et se dirigent vers lui) que de molécules qui s'en échappent par la surface (évaporation). Le débit de ces dernières ne dépend que de la température. Quand la température augmente, il y a plus de molécules qui s'échappent que de molécules qui rentrent, et l'équilibre est détruit. La concentration en vapeur augmente donc, jusqu'à ce que les molécules rentrent dans le liquide en nombre suffisant. La pression de vapeur saturante e_S(t) augmente donc avec la température. Autrement dit, l'air chaud peut contenir plus de vapeur d'eau que l'air froid avant d'être saturé (brouillard).


    L'humidité H_U qui varie entre 0 et 100% est définie par :
H_U = 100 e/e_S(t)   e étant la pression partielle de vapeur d'eau mesurée.


    Dans un récipient fermé, comme c'est le cas dans l'animation ci-contre (dix-neuvième animation) , si T croît, e croît proportionnellement à T mesurée en Kelvin ; mais e_S croît beaucoup plus vite (exponentiellement) ce qui fait que
H_U = 100 e/e_S(t) diminue. De l'air humide chauffé devient donc plus sec. C'est pour cela qu'il fait très sec dans les appartements l'hiver, même quand il fait très humide dehors.


    Dans l'animation le changement d'état est modélisé de la manière suivante : toute molécule qui arrive sur la paroi inférieure s'y colle. Cette dernière est capable d'éjecter un certain nombre de molécules en un temps donné, qui augmente avec la température. Il y a condensation quand il y a en permanence au moins une molécule de collée.
    La fonction qui donne le débit de molécules s'échappant de la paroi où elles sont collées est ajustée pour correspondre à la réalité. La pression de vapeur d'eau e est mesurée directement par comptage des chocs sur la paroi du dessus pendant une minute. H_U est calculée en faisant le rapport de e par e_S(t) donnée par la formule :

    Le e à droite de l'équation correspond à la fonction exponentielle.
La pression e_S est donnée en dP_a : décapascal = 0.1 mb = décimillibar. t + 273 = T la température absolue. t se mesure en °C (degrés Celsius); tandis que T se mesure en Kelvin. Le froid absolu correspond à 0 K et -273 °C.