Pourquoi l'eau peut geler à 4 °C

Les bains d'oiseaux sont précieux pour aider les oiseaux à s'hydrater lorsqu'il est difficile de trouver de l'eau potable, pendant les étés chauds ou les hivers froids par exemple. Ils peuvent être équipés d'éléments chauffants pour éviter qu'ils ne gèlent en hiver. Mais cela n'est utile qu'à des températures inférieures à zéro... ou pas ?

 Le cas des bains d'oiseaux en est une parfaite illustration. Il a été démontré que les jours où la température extérieure ne descendait jamais en dessous de 4 °C, la surface de l'eau gelait quand même, laissant les pauvres oiseaux transis de froid et assoiffés. Étonnamment, on peut résoudre le mystère de l'eau qui gèle au-dessus de son point de congélation en expliquant comment elle peut s'évaporer en dessous de son point d'ébullition : ce sont deux phénomènes apparemment sans rapport ! 

L'évaporation en dessous de 100°C

Dans un article précédent, nous avons dit que l'eau était l'un des réfrigérants les plus puissants de la nature. De tous les liquides, elle possède la chaleur latente de vaporisation la plus élevée, ce qui signifie qu'il faut plus d'énergie que pour tout autre liquide pour rompre les liaisons entre les molécules et transformer l'eau liquide en vapeur d'eau. Alors qu'il suffit d'environ 4,2 kJ de chaleur pour augmenter la température d'un litre d'eau d'un degré (disons de 99 °C à 100 °C, son point d'ébullition bien connu au niveau de la mer), il faut plus de 500 fois cette quantité de chaleur pour évaporer la même quantité d'eau : 2256 kJ/kg !

Mais ce que beaucoup ignorent, c'est qu'il n'est pas nécessaire de porter l'eau à ébullition pour la transformer en vapeur. En réalité, l'eau semble n'avoir d'autre choix que de s'évaporer à 100 °C, mais elle peut parfaitement s'évaporer à des températures beaucoup plus basses, pourvu que les conditions s'y prêtent. Et c'est logique : si vous laissez sécher votre linge fraîchement lavé, il sèchera en quelques jours. De même, IntrCooll et PreCooll d'Oxycom utilisent le principe de l'évaporation pour refroidir l'air ; dans les deux cas, l'eau ne doit pas être chauffée à 100 °C.

L'influence de l'humidité sur l'évaporation

La question qui se pose alors est la suivante : comment forcer l'eau à s'évaporer à température ambiante ? C'est en fait très simple : la nature, contrairement à l'être humain, semble avoir horreur des changements brusques. L'eau liquide est composée de molécules compactes, mais capables de glisser les unes sur les autres. L'air, quant à lui, est un mélange gazeux d'azote et d'oxygène, contenant environ 1 % d’autres molécules telles que l'argon et le dioxyde de carbone, que l'on appelle « air sec ». Lorsqu'il contient une faible part de vapeur d'eau, environ 1 %, on parle alors d'« air humide ».

En résumé, l'eau est saturée de molécules d'eau, tandis que l'air humide en contient très peu. Dès que l'eau est en contact avec l'air, ce contraste brutal crée un déséquilibre. Pour atténuer cette transition, la nature forme une « couche limite » entre les deux. Cette couche est constituée d'air parfaitement saturé : elle contient le maximum de vapeur d'eau possible pour une température donnée. Elle sert de zone tampon, de juste milieu entre l'eau liquide et l'air environnant, permettant ainsi de rétablir une forme d'équilibre.

La diffusion et l'écoulement 

Un autre phénomène naturel entre alors en scène. De même qu'un objet tombe toujours vers le sol ou que des câbles finissent inévitablement par s'emmêler, la vapeur d'eau migre naturellement des zones de forte concentration (la couche limite) vers les zones de faible concentration (l'air ambiant) : un processus appelé diffusion. Ce processus est spontané, mais il peut être considérablement accéléré par un ventilateur qui force l'air à circuler à la surface de l'eau.

Résultat : l'air se charge en humidité, ce qui appauvrit la couche limite de sa vapeur d'eau. Pour rétablir l'équilibre, la nature transforme à nouveau de l'eau liquide en vapeur. Or, cette transition nécessite une grande quantité d'énergie, directement puisée dans la chaleur de l'air. C'est ainsi que l'air s'humidifie tout en se refroidissant !

Humidité et baisse de température

Que ce soit à température ambiante, proche du point de congélation ou de l’ébullition, ce processus se produit à n'importe quelle température. Il est même plus efficace à température ambiante qu'à 100 °C, car la chaleur latente de vaporisation est plus élevée : 2 454 kJ/kg à 20 °C. Cela signifie que pour chaque augmentation de 1 g/kg de l'humidité absolue générée par l'évaporation, la température chute d'environ 2,5 °C. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que l'air soit totalement saturé et ne puisse plus absorber d'eau. La température atteinte par l'air à ce stade est appelée température du bulbe humide, qui est la température la plus basse que l'on puisse obtenir par simple évaporation. D'ailleurs, l'IntrCooll utilise une technique astucieuse pour déjouer les lois de la nature et refroidir l'air en deçà de cette limite, mais c'est une histoire que nous vous raconterons une prochaine fois.

Comprendre la température du bulbe humide

L'expression « température du bulbe humide » n'est peut-être pas familière, mais elle est à prendre au pied de la lettre. Un thermomètre classique possède un bulbe rempli d'alcool qui se dilate avec la chaleur. La valeur affichée est ce que nous appelons couramment la température, mais il s'agit en réalité de la température du bulbe sec. Si l’on recouvre ce bulbe d'un tissu mouillé (bulbe humide !) et que l'on fait circuler de l'air autour, le thermomètre indiquera une valeur plus basse : la température du bulbe humide.

Inconsciemment, nous connaissons tous la température du bulbe humide. En sortant de la douche ou de la piscine, vous ressentez soudain un coup de froid : le processus d'évaporation puise la chaleur de votre peau, et ce que vous ressentez alors est la température du bulbe humide. Contrairement à la « température ressentie » (subjective car basée sur le vent), la température du bulbe humide est une grandeur physique réelle et mesurable objectivement.

Pourquoi un bain d'oiseaux gèle au-dessus de zéro degré

Revenons maintenant à notre exemple du bain d'oiseaux. On s'aperçoit qu'en réalité, bien que la température du bulbe sec soit restée positive toute la journée, donc continuellement au-dessus du point de congélation, c'est la température du bulbe humide à la surface de l'eau qui est tombée en dessous de zéro, provoquant ainsi le gel. Résultat : des oiseaux toujours assoiffés, mais une explication scientifique fascinante !