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.
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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 :
Tout ça se traduit quotidiennement en phénomènes météo : pluie, orage, sécheresse… la thermodynamique de l'eau est un élément fondamental.
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 :
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 :
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 :
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.
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 :
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 :
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).
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…).
Doudoune, sac de couchage…
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 :
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 :
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).
Cela signifie aussi que pour faire bouillir (à 100°C) un litre eau à partir de neige fraîche à -1°C, il faut dépenser :
⇒ 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.
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…