ATMOSPHÈREThermodynamique

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La vapeur d’eau atmosphérique et ses transformations

Dans l’atmosphère terrestre, l’eau peut se présenter sous trois états :

Diagramme des états de l’eau

Photographie : Diagramme des états de l’eau

Photographie

L'eau se présente sous trois états – solide, liquide et gazeux – en fonction de la température et de la tension de vapeur. Ce diagramme d'état ne tient pas compte des possibilités de sursaturation de la vapeur par rapport au liquide ou à la glace, ni de la surfusion de l'eau liquide,... 

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– la vapeur, état dans lequel les molécules ont des mouvements très désordonnés et s’agitent à grandes vitesses (à titre d’exemple, leur vitesse moyenne est d’environ 2 300 km/h pour une température ambiante de 20 0C) ;

– le liquide, dans lequel les molécules sont liées entre elles, sans toutefois pouvoir établir de structures rigides ;

– la glace, dans laquelle les molécules ont des liens forts et des possibilités de déplacement limitées.

Physique des changements d’état de l’eau

Lorsque la tension de vapeur e atteint une valeur es, dite tension de vapeur saturante, les échanges à l’interface entre de la vapeur et du liquide sont équilibrés, la vapeur ne peut pas accueillir plus de molécules qu’elle n’en contient déjà, on dit qu’elle est saturée par rapport à l’eau liquide – ce qui correspond à une humidité relative HU(p. 100) = 100 e/es = 100 p. 100. Il en est de même pour l’équilibre à l’interface entre de la vapeur et de la glace qui est atteint pour des valeurs de e égales à esi, dite tension de vapeur saturante par rapport à la glace. La valeur des tensions de vapeur saturante ne dépend que de la température. Pour des températures (t) comprises entre – 30 0C et + 35 0C, l’équation es =6,112 exp(17,67 tt + 243,5), où t est exprimée en degrés Celsius, donne une valeur de es(t) en hPa, approchée à moins de 0,1 p. 100. À partir de ces valeurs, tout refroidissement, comme tout apport supplémentaire de molécules dans la vapeur, devrait se traduire aussitôt par un transfert de molécules vers le liquide (condensation) ou vers la glace (condensation solide) et, à l’inverse, tout réchauffement, comme toute perte de molécules dans la vapeur, devrait se traduire par un transfert de molécules depuis le liquide (évaporation), ou depuis la glace (sublimation), vers la vapeur pour tenter de la saturer.

Échanges d’énergie associés aux changements d’état de l’eau

Photographie : Échanges d’énergie associés aux changements d’état de l’eau

Photographie

Les changements d'état de l'eau sont liés à la libération et à l'absorption de la chaleur latente  (enthalpie du changement d'état). 

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De son côté, aux pressions rencontrées dans l’atmosphère, l’équilibre entre de l’eau liquide et de la glace se pro [...]


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Structure verticale de l’atmosphère

Structure verticale de l’atmosphère
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Diagramme des états de l’eau

Diagramme des états de l’eau
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Échanges d’énergie associés aux changements d’état de l’eau

Échanges d’énergie associés aux changements d’état de l’eau
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Cellules de convection de Bénard

Cellules de convection de Bénard
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Pour citer l’article

Jean-Pierre CHALON, « ATMOSPHÈRE - Thermodynamique », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 27 septembre 2020. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/atmosphere-thermodynamique/