Évaporation

L’évaporation est un type de vaporisation qui se produit à la surface d’un liquide lorsqu’il se transforme en phase gazeuse. ^[1] Le gaz environnant ne doit pas être saturé de la substance qui s’évapore. Lorsque les Molécules du liquide entrent en collision, elles se transfèrent de l’énergie en fonction de la manière dont elles se heurtent. Lorsqu’une molécule près de la surface absorbe suffisamment d’énergie pour surmonter la pression de vapeur , elle s’échappe et pénètre dans l’air ambiant sous forme de gaz. ^[2] Lorsque l’évaporation se produit, l’énergie retirée du liquide vaporisé réduira la température du liquide, entraînant un refroidissement par évaporation. ^[3]

Aérosol de gouttelettes d’eau microscopiques en suspension dans l’air au-dessus d’une tasse de thé chaud après que la vapeur d’eau s’est suffisamment refroidie et condensée. La vapeur d’eau est un gaz invisible, mais les nuages ​​de gouttelettes condensées réfractent et dispersent la lumière du soleil et sont donc visibles. Gouttelettes de vapeur d’eau dans une casserole. 0:42 Démonstration du refroidissement par évaporation. Lorsque le capteur est plongé dans l’ éthanol puis retiré pour s’évaporer, l’instrument affiche une température progressivement plus basse à mesure que l’éthanol s’évapore. La pluie s’évapore après être tombée sur une route pavée chaude

En moyenne, seule une fraction des Molécules d’un liquide possède suffisamment d’énergie thermique pour s’échapper du liquide. L’évaporation se poursuivra jusqu’à ce qu’un équilibre soit atteint lorsque l’évaporation du liquide est égale à sa condensation. Dans un environnement clos, un liquide s’évapore jusqu’à ce que l’air ambiant soit saturé.

L’évaporation est une partie essentielle du cycle de l’eau . Le soleil (énergie solaire) entraîne l’évaporation de l’eau des océans, des lacs, de l’humidité du sol et d’autres sources d’eau. En hydrologie , l’évaporation et la Transpiration (qui implique l’évaporation dans les Stomates des plantes ) sont collectivement appelées évapotranspiration . L’évaporation de l’eau se produit lorsque la surface du liquide est exposée, permettant aux Molécules de s’échapper et de former de la vapeur d’eau ; cette vapeur peut alors s’élever et former des nuages. Avec suffisamment d’énergie, le liquide se transformera en vapeur.

La théorie

Pour que les Molécules d’un liquide s’évaporent, elles doivent être situées près de la surface, elles doivent se déplacer dans la bonne direction et avoir une énergie cinétique suffisante pour surmonter les forces intermoléculaires en phase liquide . ^[4] Lorsque seule une petite proportion des Molécules répondent à ces critères, le taux d’évaporation est faible. Puisque l’énergie cinétique d’une molécule est proportionnelle à sa température, l’évaporation se produit plus rapidement à des températures plus élevées. Au fur et à mesure que les Molécules se déplaçant plus rapidement s’échappent, les Molécules restantes ont une énergie cinétique moyenne plus faible et la température du liquide diminue. Ce phénomène est également appelé refroidissement par évaporation . C’est pourquoi l’évaporation de la sueurrefroidit le corps humain. L’évaporation a également tendance à se dérouler plus rapidement avec des débits plus élevés entre les phases gazeuse et liquide et dans les liquides à pression de vapeur plus élevée . Par exemple, le linge sur une corde à linge sèche (par évaporation) plus rapidement par temps venteux que par temps calme. Les trois éléments clés de l’évaporation sont la chaleur, la pression atmosphérique (détermine le pourcentage d’humidité) et le mouvement de l’air.

Au niveau moléculaire, il n’y a pas de frontière stricte entre l’état liquide et l’état vapeur. Au lieu de cela, il y a une couche de Knudsen , où la phase est indéterminée. Parce que cette couche n’a que quelques Molécules d’épaisseur, à une échelle macroscopique, une interface de transition de phase claire ne peut pas être vue. ^{[ citation nécessaire ]}

Les liquides qui ne s’évaporent pas visiblement à une température donnée dans un gaz donné (par exemple, l’huile de cuisson à température ambiante ) ont des Molécules qui n’ont pas tendance à se transférer de l’énergie selon un schéma suffisant pour donner fréquemment à une molécule l’énergie thermique nécessaire pour tourner en vapeur. Cependant, ces liquides s’évaporent. C’est juste que le processus est beaucoup plus lent et donc nettement moins visible.

Équilibre évaporatif

Pression de vapeur de l’eau en fonction de la température. 760 Torr = 1 atm .

Si l’évaporation a lieu dans un espace clos, les Molécules qui s’échappent s’accumulent sous forme de vapeur au-dessus du liquide. De nombreuses Molécules retournent dans le liquide, les Molécules de retour devenant plus fréquentes à mesure que la densité et la pression de la vapeur augmentent. Lorsque le processus d’échappement et de retour atteint un équilibre , ^[4] la vapeur est dite “saturée”, et aucun autre changement de pression de vapeur et de densité ou de température du liquide ne se produira. Pour un système constitué de vapeur et de liquide d’une substance pure, cet état d’équilibre est directement lié à la pression de vapeur de la substance, donnée par la relation Clausius-Clapeyron:

dans ⁡ ( P 2 P 1 ) = − Δ H v a p R ( 1 T 2 − 1 T 1 ) {displaystyle ln left({frac {P_{2}}{P_{1}}}right)=-{frac {Delta H_{rm {vap}}}{R}}left ({frac {1}{T_{2}}}-{frac {1}{T_{1}}}right)}

où P ₁ , P ₂ sont les pressions de vapeur aux températures T ₁ , T ₂ respectivement, Δ H _vap est l’ enthalpie de vaporisation et R est la constante universelle des gaz . Le taux d’évaporation dans un système ouvert est lié à la pression de vapeur trouvée dans un système fermé. Si un liquide est chauffé, lorsque la pression de vapeur atteint la pression ambiante, le liquide bout .

La capacité d’une molécule d’un liquide à s’évaporer dépend en grande partie de la quantité d’ énergie cinétique qu’une particule individuelle peut posséder. Même à des températures plus basses, les Molécules individuelles d’un liquide peuvent s’évaporer si elles ont plus que la quantité minimale d’énergie cinétique requise pour la vaporisation.

Facteurs influençant le taux d’évaporation

Remarque : L’air utilisé ici est un exemple courant ; cependant, la phase vapeur peut être constituée d’autres gaz.

Concentration de la substance s’évaporant dans l’air Si l’air a déjà une concentration élevée de la substance qui s’évapore, la substance donnée s’évapore plus lentement. Débit d’air Ceci est en partie lié aux points de concentration ci-dessus. Si de l’air « frais » (c’est-à-dire de l’air qui n’est ni déjà saturé avec la substance ni avec d’autres substances) se déplace tout le temps au-dessus de la substance, alors la concentration de la substance dans l’air est moins susceptible d’augmenter avec le temps, donc favorisant une évaporation plus rapide. Ceci est le résultat de la couche limite à la surface d’évaporation diminuant avec la vitesse d’écoulement, diminuant la distance de diffusion dans la couche stagnante. La quantité de minéraux dissous dans le liquide Forces intermoléculaires Plus les forces qui maintiennent les Molécules ensemble à l’état liquide sont fortes, plus il faut d’énergie pour s’échapper. Celle-ci est caractérisée par l’ enthalpie de vaporisation . Pression L’évaporation se produit plus rapidement s’il y a moins d’effort sur la surface empêchant les Molécules de se lancer. Superficie Une substance qui a une plus grande surface s’évaporera plus rapidement, car il y a plus de Molécules de surface par unité de volume qui sont potentiellement capables de s’échapper. Température de la substance plus la température de la substance est élevée, plus l’énergie cinétique des Molécules à sa surface est élevée et donc plus la vitesse de leur évaporation est rapide.

Aux États-Unis, le National Weather Service mesure le taux réel d’évaporation à partir d’une surface d’eau libre standardisée à l’extérieur, à divers endroits du pays. D’autres font de même dans le monde. Les données américaines sont recueillies et compilées dans une carte d’évaporation annuelle. Les mesures vont de moins de 30 à plus de 120 pouces (3 000 mm) par an.

Parce qu’elle se déroule généralement dans un environnement complexe, où “l’évaporation est un événement extrêmement rare”, le mécanisme d’évaporation de l’eau n’est pas complètement compris. Les calculs théoriques nécessitent des simulations informatiques excessivement longues et volumineuses. “Le taux d’évaporation de l’eau liquide est l’une des principales incertitudes de la modélisation climatique moderne.” ^{[5] [6]}

Thermodynamique

L’évaporation est un processus endothermique , en ce sens que la chaleur est absorbée lors de l’évaporation.

Applications

• Les applications industrielles comprennent de nombreux procédés d’ impression et de revêtement ; récupérer les sels des solutions; et sécher une variété de matériaux tels que le bois, le papier, le tissu et les produits chimiques.
• L’utilisation de l’évaporation pour sécher ou concentrer les échantillons est une étape préparatoire courante pour de nombreuses analyses de laboratoire telles que la spectroscopie et la chromatographie . Les systèmes utilisés à cette fin comprennent des évaporateurs rotatifs et des évaporateurs centrifuges .
• Lorsque les vêtements sont suspendus sur une corde à linge, même si la température ambiante est inférieure au point d’ébullition de l’eau, l’eau s’évapore. Ceci est accéléré par des facteurs tels que la faible humidité , la chaleur (du soleil) et le vent. Dans une sécheuse , de l’air chaud est soufflé à travers les vêtements, ce qui permet à l’eau de s’évaporer très rapidement.
• Le Matki/Matka , un récipient indien traditionnel en argile poreuse utilisé pour stocker et refroidir l’eau et d’autres liquides.
• Le botijo ​​, un récipient traditionnel espagnol en argile poreuse conçu pour refroidir l’eau contenue par évaporation.
• Les refroidisseurs évaporatifs , qui peuvent considérablement refroidir un bâtiment en soufflant simplement de l’air sec sur un filtre saturé d’eau.

Vaporisation par combustion

Les gouttelettes de carburant se vaporisent lorsqu’elles reçoivent de la chaleur en se mélangeant aux gaz chauds dans la chambre de combustion. La chaleur (énergie) peut également être reçue par rayonnement depuis n’importe quelle paroi réfractaire chaude de la chambre de combustion.

Vaporisation précombustion

Les moteurs à combustion interne reposent sur la vaporisation du carburant dans les cylindres pour former un mélange carburant/air afin de bien brûler. Le mélange air/carburant chimiquement correct pour la combustion totale de l’essence a été déterminé comme étant de 15 parties d’air pour une partie d’essence ou 15/1 en poids. Changer cela en un rapport volumique donne 8 000 parties d’air pour une partie d’essence ou 8 000/1 en volume.

Dépôt de film

Des films minces peuvent être déposés en évaporant une substance et en la condensant sur un substrat, ou en dissolvant la substance dans un solvant, en étalant finement la solution résultante sur un substrat et en évaporant le solvant. L’ équation Hertz-Knudsen est souvent utilisée pour estimer le taux d’évaporation dans ces cas.

Voir également

Wikisource contient le texte de l’ article ” Evaporation ” de The New Student’s Reference Work .

• Atmomètre (évaporation)
• Point d’ébullition
• Cryophore
• Cristallisation
• Dessalement
• Distillation
• Séchage
• Flux de covariance de Foucault (alias corrélation de Foucault, flux de Foucault)
• Évaporateur
• Évapotranspiration
• Évaporation éclair
• Chaleur de vaporisation
• Équation de Hertz – Knudsen
• Hydrologie (agriculture)
• Chaleur latente
• Flux de chaleur latente
• Évaporation au bac
• Sublimation (transition de phase) (transfert de phase du solide directement au gaz)
• Transpiration

Transitions de phase de la matière (

• v
• t
• e

)

Pour Depuis	Solide	Liquide	Gaz	Plasma
Solide	Fusion	Sublimation
Liquide	Gelé	Vaporisation
Gaz	Déposition	Condensation	Ionisation
Plasma	Recombinaison

Références

1. ^ “la définition de s’évaporer” . Dictionnaire.com . Récupéré le 23/01/2018 .
2. ^ Le travail de référence du nouvel étudiant (1914) . 1914. p. 636.
3. ^ Lohner, Amis scientifiques, Svenja. “Science du refroidissement : refroidissement par évaporation avec des liquides” . Scientifique américain . Récupéré le 23/01/2018 .
4. ^ ^{un b} Silberberg, Martin A. (2006). Chimie (4e éd.). New York : McGraw Hill. pages 431 à 434. ISBN 0-07-296439-1.
5. ^ Richard Saykally (11 juin 2015). “Cinq choses que nous ne savons toujours pas sur l’eau” . Nautilus . Récupéré le 20 octobre 2021 .
6. ^ Kotaro Ohashi (18 mai 2020). “Coefficient d’évaporation et coefficient de condensation de la vapeur dans des conditions de haute pression de gaz” . Rapports scientifiques . Nature. 10 (8143): 8143. Bibcode : 2020NatSR..10.8143O . doi : 10.1038/s41598-020-64905-5 . PMC 7235219 . PMID 32424295 .

Lectures complémentaires

• Sze, Simon Min (25 septembre 2001). Dispositifs semi-conducteurs : physique et technologie . ISBN 0-471-33372-7.A une discussion particulièrement détaillée du dépôt de film par évaporation.

Liens externes

Recherchez l’ évaporation dans Wiktionary, le dictionnaire gratuit.

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