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Thermodynamique de l'eau

Beaucoup de questions dans le choix du matériel de randonnée concerne directement ou indirectement l'eau sous toutes ses formes : météo, cuisine, transpiration… Voilà quelques clefs de compréhension.

Page en cours de rédaction !

Quelques chiffres

Quelques termes et chiffres utiles :

Grandeur Valeur (SI)Valeur (calorie) Description
Chaleur spécifique (ou chaleur massique) 4,2 J/g/K 1 cal/g/K Il faut fournir à un gramme d'eau 4,2 J de chaleur pour augmenter sa température d'un kelvin (ou 1°C) sans changement d'état. C'est aussi la définition de la calorie, ce qui rend certains calculs plus rapides ensuite (1 calorie = 4,2 J)
Chaleur latente de vaporisation 2454 J/g 537 cal/g Quantité de chaleur à fournir à l'eau pour passer de l'état liquide à l'état gazeux (vapeur)
Chaleur latente de fusion 333 J/g 80 cal/g Quantité de chaleur à fournir à l'eau pour passer de l'état solide (glace) à l'état liquide
Chaleur latente de sublimation 2787 J/g 617 cal/g Quantité de chaleur à fournir à l'eau pour passer de l'état solide (glace) à l'état gazeux (vapeur)

Notes :

  1. On fait l'approximation 1°C = 1K tant qu'on ne parle pas de température absolue (sinon température en °C = température en Kelvin - ~278).
  2. À propos de ces valeurs, elles sont valable dans les deux sens :
    • pour refroidir 1g d'eau de 1°C (ou 1K), l'eau libère 1 calorie (ou le milieu capte 1 cal/g à l'eau)
    • pour condenser (passage de l'état de vapeur à l'état liquide), l'eau rend 537 cal/g au milieu
    • pour se solidifier, l'eau rend 80 cal/g à son milieu (le plus souvent, c'est le milieu qui capte cette chaleur)
  3. Dans le domaine de température et de pression qui nous intéresse, ces valeurs sont stables. Par exemple : l'eau qui s'évapore au niveau de la mer d'un vêtement en train de sécher à besoin d'autant d'énergie que l'eau qui bout dans la popote en montagne.

Météo

Tout ça se traduit quotidiennement en phénomènes météo : pluie, orage, sécheresse… la thermodynamique de l'eau est un élément fondamental.

Formation des nuages

Il faut comprendre nuages au sens large : la brume et le brouillard sont des nuages qui touchent le sol.

L'atmosphère a une certaine capacité de transport de vapeur d'eau, qu'on appelle aussi humidité absolue de saturation ou encore limite de saturation. Lorsque le contenu en eau de l'air dépasse cette valeur, il y a saturation et potentiellement condensation.

Cette capacité dépend très fortement de la température : plus la température est élevée, plus l'air peut contenir d'eau. Et inversement, plus il fait froid, moins l'air peut contenir d'eau.

Par exemple :

Température (°C) -5°C 0°C 5°C 10°C 15°C 20°C 30°C
Valeur de saturation (g/m3) 3.2 4.8 6.8 9.4 12.9 17 30

Il y a ainsi 2 façons de faire un nuage et plus particulièrement de faire condenser la vapeur d'une masse d'air :

  • refroidir cette masse d'air
    Exemple : une masse d'air à une humidité absolue de 10g/m³ à 15°C, il n'y a donc pas de condensation. Si elle se refroidit à 10°C son humidité absolue dépasse la limite de saturation, la condensation apparaît! Cas typique : apparition de brumes et brouillards nocturnes.
  • ajouter de la vapeur dans l'air
    Exemple : l'évaporation à la surface d'un lac jusqu'à saturation qui donne souvent de fines nappes de brouillard (surtout le matin, l'effet se combinant avec le refroidissement nocturne).

Le rapport entre l'humidité absolue et l'humidité absolue de saturation est appelé humidité relative. C'est la fameuse humidité exprimée en %.

Pour une humidité absolue fixe, la température à laquelle arrive la condensation est appelé le point de rosée. C'est donc aussi la température a laquelle l'humidité relative est de 100%.

Exemple :

  • une atmosphère à 20°C (donc limite de saturation de 17 g/m³) ayant une humidité absolue de 10 g/m³ a une humidité relative de (10/17)x100 = 59% ;
  • si on refroidit ce même air à 15°C, l'humidité absolue monte à 78% ;
  • à 10°C on a franchi le point de rosée et l'humidité que l'air ne peut plus contenir sous forme de vapeur condense.

Refroidissement de l'air

Ce n'est pas à proprement parler un phénomène lié à l'eau, encore que… Il y a plusieurs phénomène qui conduisent l'atmosphère à se refroidir :

  • confrontation d'une masse d'air chaude et d'une masse d'air froid.
    Ça marche dans les deux sens : de l'air chaud arrive au contact de l'air froid, ou de l'air froid vient au contact de l'air chaud. C'est un cas courant, mais c'est aussi un cas un peu délicat : il n'y a réellement refroidissement de la masse d'air chaude qu'à l'interface entre l'air chaud et l'air froid. Ça s'applique sur une large plage d'altitude et se traduit souvent par de la pluie. Pour le reste, c'est plutôt un “remplacement” de masse d'air.
  • refroidissement nocturne.
    Le soleil n'apporte plus de chaleur à la masse d'air. La chaleur de l'atmosphère rayonne vers l'espace et l'air se refroidit. Plus important encore est le rayonnement du sol : en présence de nuages, une grande partie du rayonnement reste dans l'atmosphère (par temps nuageux, il y moins de différence de température entre le jour et la nuit). Par contre, par nuit bien claire la température chute fortement. Ce qui provoque l'apparition de brouillard.
  • passage de l'air au-dessus d'une surface froide.
    Un exemple : la douce brise rafraîchissante au pieds d'un glacier (ou les vent catabatiques sur une calotte).
  • décompression.
    Selon la loi des gaz parfaits, si on réduit la pression d'une certaine quantité de gaz, sa température diminue. Cas typique en randonnée : le vent qui pousse une masse d'air le long d'une montagne. L'air obligé de monter au dessus du relief voit sa pression chuter, donc sa température. C'est brutal et ça explique les précipitations abondantes en montagne, mais aussi les changements de temps beaucoup plus rapides et imprévisibles qu'en plaine.

Condensation

On a vu que pour qu'il y ait condensation il faut que l'air soit saturé. Il y a un autre ingrédient indispensable : un noyau de condensation, une surface sur laquelle une goutte va pouvoir se former.

Abri

Vêtements

(Dés-)Hydratation

C'est un grand piège du froid et du brouillard : le corps continue de se déshydrater, certes moins vite qu'en plein soleil par 40°C mais tout de même à un rythme soutenu.

Ce n'est pas très instinctif mais voilà ce qui se passe :

  1. la peau et surtout l'appareil respiratoire sont des surfaces humides et chaudes ;
  2. l'air qui vient au contact de ces surfaces se réchauffe ;
  3. comme on l'a vu plus haut, un air qui se réchauffe voit sa limite de saturation augmenter et donc son humidité relative chute ;
  4. il y a de la chaleur disponible et l'air au contact de la peau et des poumons n'est pas saturé : il y a évaporation !
  5. à l'expiration, on pourra même produire un léger nuage de buée devant la bouche. C'est l'air chargé de l'humidité du corps qui se refroidit et voit sa vapeur condenser.

Un exemple (juste pour la respiration) :

Il fait 0°C avec du brouillard, une belle purée de pois. On respire donc de l'air saturé (4,8g/m³ + les gouttelette en suspension 0,1g/m³). A l'inspiration, l'air se réchauffe jusqu'à plus de 30°C. La valeur de saturation de l'air dans les poumons est donc de plus de 30g/m³. Si on considère que l'eau n'a quand même pas le temps de saturer cet air, on peut facilement considérer une humidité absolue à l'expiration de 20g/m³.

Donc pour chaque mètre cube respiré, on a perdu :

  • 15g d'eau
  • 15 x 537 = 8055 calories (pour l'évaporation)

Au repos (volume respiration de 0,5l, 12 respirations/minute, débit de 6l/min), 1m³ d'air représente 167 minutes (~3h). Lors d'un effort (p.ex. 2,0l par respiration, 30 respirations/minute, débit de 60l/min), 1m³ d'air ne représente que 17 minutes !

Ne pas oublier son hydratation même en condition froide et humide !!! Même si on ne transpire pas !!!

On voit ici tout l'intérêt d'un vêtement coupe-vent comme première barrière contre le froid, surtout en cas d'effort soutenu qui élève la température du corps. En plus de la convection, du rayonnement et de la conduction de chaleur du corps vers l'atmosphère, s'ajoute la considérable perte de chaleur liée à l'évaporation (voir chiffres ci-dessus).

C'est aussi un des intérêts des barrières vapeurs (ou VBL).

Séchage du matériel

Vêtements et matériels simples

J'entends par matériel simple, les objets ni isolés (duvet, isolant synthétique…), ni fermés et étanches, difficiles où impossibles à ouvrir largement (matelas gonflable, poche à eau…).

Vêtements et matériels isolés

Doudoune, sac de couchage…

Matelas gonflable/autogonflant

Cuisson

Retour sur les quelques chiffres évoqués en haut de la page avec quelques applications à la cuisson et plus particulièrement à la chauffe de l'eau :

Paliers thermiques

Il y a deux palliers thermiques pendant lesquels toute l'énergie mise en jeu concerne uniquement le changement d'état et la température reste constante :

  • la glace qui fond et l'eau qui gèle (vers 0°C, pour le randonneur cette température est indépendante de la pression donc de l'altitude car l'eau comme la glace sont incompressibles).
  • l'eau en ébullition (le cas de la condensation massive ne se rencontre pas tellement en randonnée). La température d'ébullition dépend de la pression atmosphérique. À pression normale au niveau de la mer, elle est de 100°C.

Cela signifie qu'il ne sert à rien de maintenir un feu vif et puissant sous une popote une fois l'eau en ébullition sauf à vouloir faire évaporer toute l'eau : les aliments ne cuiront pas plus vite et on risque de faire brûler le fond de la popote (l'eau sous forme de vapeur chasse l'eau liquide du fond et permette une élévation localement très importante de la température ⇒ carbonisation).

Dépenses d'énergie

Cela signifie aussi que pour faire bouillir (à 100°C) un litre eau à partir de neige fraîche à -1°C, il faut dépenser :

  • 101000 calories ou 101 kcal pour chauffer l'eau (différence de température : 101°C multiplié par le poids 1kg soit 1000g)
  • 80000 calories ou 80 kcal juste pour faire fondre la neige quand elle arrive à 0°C

⇒ Si on prend de l'eau liquide, même froide (1°C), on économise 80 kcal.
⇒ Par grand froid, empêcher son eau liquide de geler est donc très intéressant !

Quand on n'a pas de couvercle sur sa popote, chaque gramme d'eau qui s'évapore emporte 537 calories. Et le phénomène s'accentue avec l'élévation de température car l'air qui se rapproche de la surface s'assèche relativement en se réchauffant et s'évacue rapidement par convection.

Combustion

Pour rappel, la combustion de bois, de gaz d'alcool… produit de la vapeur d'eau. Exemple du propane (C3H8 : 3 atomes de carbone 8 d'hydrogène) :

C3H8 + 5xO2 => 3xCO2 + 4xH2O

Quelques calculs de chimie, la combustion d'une mole de propane (masse molaire = ~44g/mol) produit 4 moles d'eau (masse molaire 18g/mol). ⇒ la combustion de 1g de propane produit ~1,6g de vapeur d'eau

En cas de cuisine sous tente (déconseillé au passage, pour des raisons de sécurité), c'est autant d'eau qui ira s'ajouter à la condensation sur les parois, en plus de l'eau de la popote, de la respiration…

eau_thermodynamique.txt · Dernière modification: 2015/10/26 17:11 par Opitux