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eau_thermodynamique

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

<note important>Page en cours de rédaction !</note>

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 calcul plus rapide 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. A 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 popotte en montagne.

Météo

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

Formation des nuages

<note>Il faut comprendre nuages au sens large : la brume et le brouillard sont des nuages qui touche le sol.</note>

L'atmosphère à une certaine capacité de transport de vapeur d'eau, qu'on appelle aussi humidité absolue de saturation ou encore limite de saturation. 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 : 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 refroidis 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 fine 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 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 cette même air à 15°C, l'humidité absolue monte à 78% ;
  • à 10°C on a franchis 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 conduise l'atmosphère à se refroidir:

  • confrontation d'une masse d'air chaude et d'une masse d'air froid. Ca 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 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 nuage, 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 clair la température chute fortement la nuit. 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 catabatique sur une calotte)
  • décompression : selon la loi des gaz parfait, 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, amis aussi les changements de temps beaucoup plus rapide et imprévisible qu'en plaine.

Condensation

On a vu que pour qu'il y ai 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 qu'en 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 chargée de l'humidité du corps qui se refroidit et voit sa vapeur condenser.

Un exemple (juste pour la respiration): Il fait 0° 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'as quand même pas le temps de saturée cet air, on peut facilement considéré une humidité absolue à l'expiration de 20 g/m3. A donc pour chaque mètre cube respiré, perdu :

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

Au repos (volume respiration de 0.5l, 10 respirations/minutes), 1m3 d'air représente 200minutes (~3h) à l'effort (2

<note important>Ne pas oublier son hydratation même en condition froide et humide !!! Même si on ne transpire pas !!!</note>

<note tip>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 (cf $ Quelques chiffre ci-dessus).

C'est aussi un des intérêts des barrières vapeurs (ou VBL). </note>

Séchage du matériel

Vêtements et matériels simples

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

Vêtements et matériels isolés

Doudoune, sac de couchage…

Matelas gonflable/autogonflant

Cuisson

eau_thermodynamique.1417895863.txt.gz · Dernière modification: 2014/12/06 20:57 par arofarn