Humidité relative

Combien d’humidité l’air peut-il « retenir » ?

De toutes les déclarations sur l’humidité relative que j’ai entendues dans la conversation courante, celle qui précède est probablement la plus courante. Elle peut représenter une compréhension du phénomène, et avoir une certaine utilité de bon sens, mais elle peut représenter une incompréhension totale de ce qui se passe physiquement. L’air ne « retient » pas la vapeur d’eau dans le sens où il aurait une force d’attraction ou une influence de capture. Les molécules d’eau sont en fait plus légères et plus rapides que les molécules d’azote et d’oxygène qui constituent la majeure partie de l’air, et elles ne se collent certainement pas à elles et ne sont en aucun cas retenues par elles. Si vous examinez l’énergie thermique des molécules dans l’air à une température ambiante de 20°C, vous constatez que la vitesse moyenne d’une molécule d’eau dans l’air est de plus de 600 m/s ou plus de 1400 miles/h ! Vous n’allez pas « retenir » cette molécule !

Une autre perspective possiblement utile serait de considérer l’espace entre les molécules d’air dans des conditions atmosphériques normales. A partir de la connaissance des masses atomiques et des densités de gaz et de la modélisation du libre parcours moyen des molécules de gaz, nous pouvons conclure que la séparation entre les molécules d’air à la pression atmosphérique et à 20°C est d’environ 10 fois leur diamètre. Entre deux collisions, elles parcourent généralement un trajet de l’ordre de 30 fois cette séparation. Les molécules d’eau dans l’air ont donc beaucoup de place pour se déplacer et ne sont pas « retenues » par les molécules d’air.

Lorsqu’on dit que l’air peut « retenir » une certaine quantité de vapeur d’eau, le fait dont on parle est qu’une certaine quantité de vapeur d’eau peut résider dans l’air en tant que constituant de l’air. Les molécules d’eau à grande vitesse se comportent, dans une bonne approximation, comme les particules d’un gaz idéal. À une pression atmosphérique de 760 mm Hg, vous pouvez exprimer la quantité d’eau dans l’air en termes de pression partielle en mm Hg qui représente la pression de vapeur apportée par les molécules d’eau. Par exemple, à 20°C, la pression de vapeur saturante de la vapeur d’eau est de 17,54 mm Hg, donc si l’air est saturé de vapeur d’eau, les constituants atmosphériques dominants, l’azote et l’oxygène, contribuent à la plupart des autres 742 mm Hg de la pression atmosphérique.

Mais la vapeur d’eau est un type de constituant de l’air très différent de l’oxygène et de l’azote. L’oxygène et l’azote sont toujours des gaz aux températures terrestres, ayant des points d’ébullition de 90K et 77K respectivement. En pratique, ils se comportent toujours comme des gaz idéaux. Mais l’eau extraordinaire a un point d’ébullition de 100°C= 373,15K et peut exister en phases solide, liquide et gazeuse sur la Terre. Elle est essentiellement toujours dans un processus d’échange dynamique de molécules entre ces phases. Dans l’air à 20°C, si la pression de vapeur a atteint 17,54 mm Hg, il y a autant de molécules d’eau qui entrent dans la phase liquide que de molécules qui s’échappent vers la phase gazeuse ; on dit donc que la vapeur est « saturée ». Cela n’a rien à voir avec le fait que l’air « retient » les molécules, mais l’usage courant le suggère souvent. Lorsque l’air s’approche de la saturation, on dit que l’on s’approche du « point de rosée ». Les molécules d’eau sont polaires et exercent une force d’attraction nette les unes sur les autres, ce qui les éloigne du comportement du gaz idéal. En se rassemblant et en passant à l’état liquide, elles peuvent former des gouttelettes dans l’atmosphère pour former des nuages, ou près de la surface pour former du brouillard, ou sur les surfaces pour former de la rosée.

Une autre approche qui pourrait aider à clarifier le point que l’air ne « retient » pas réellement l’eau est de noter que l’humidité relative n’a vraiment rien à voir avec les molécules d’air (c’est-à-dire N2 et O2). Si un flacon fermé à 20°C contenait de l’eau liquide mais pas d’air du tout, il atteindrait l’équilibre à la pression de vapeur saturée de 17,54 mm Hg. À ce moment-là, la densité de vapeur serait de 17,3 g/m3 de vapeur d’eau pure en phase gazeuse au-dessus de la surface de l’eau. Mais si vous veniez d’enlever l’air et de sceller le récipient contenant de l’eau liquide, vous pourriez avoir une situation où il n’y aurait que 8,65 gm/m3 résidant dans la phase gazeuse à ce moment précis. Nous dirions que l’humidité relative dans le flacon est de 50 % à ce moment-là parce que la densité de la vapeur d’eau résidente est la moitié de sa densité de saturation. C’est exactement la même chose que nous dirions si l’air était présent – 8,65 gm/m3 de vapeur d’eau dans l’air à 20°C représente 50 % d’humidité relative. Dans ces conditions, les molécules d’eau s’évaporeraient de la surface vers la phase gazeuse plus rapidement qu’elles n’y entreraient, de sorte que la pression de la vapeur d’eau au-dessus de la surface augmenterait vers la pression de vapeur de saturation.