Relation entre le point d’ébullition de l’eau et la pression atmosphérique

7 mars 2018, 9 Commentaire(s)
Thèmes: Météo

Il nous paraît « normal » que l’eau bouille (si, si, c’est correct !) à 100°, et nous serions tentés de croire qu’elle fait de même toujours et partout. Or il n’en est rien ! Les férus de montagne se seront aperçus que plus l’on monte, plus la température nécessaire pour faire bouillir de l’eau diminue. Cela s’explique par la relation (assez compliquée...) entre le point d’ébullition de l’eau et la pression atmosphérique.

Quelques concepts de base pour commencer

Tout gaz exerce une certaine pression sur son environnement, et cette pression dépend essentiellement de la température dudit gaz (pour un volume donné). La vapeur d’eau ne fait pas exception à cette règle : plus elle est chaude, plus la pression qu’elle exerce est élevée. La vapeur d’eau représente une toute petite partie de la masse gazeuse de l’atmosphère (de 0.1 à 5 % selon les régions), c’est pourquoi l’on parle de « pression partielle de vapeur d’eau » pour évoquer la contribution de cette dernière à la pression totale en un lieu donné ; cette pression partielle est très variable d’un lieu ou d'une altitude à l’autre.

À une température donnée, la quantité d’eau maximale qu’une parcelle d’air peut contenir sous forme de vapeur est fixe ; la pression de vapeur correspondant à ce maximal est appelée «pression de vapeur saturante ». Il s’agit d’un point d’équilibre dynamique, où le nombre de molécules d’eau qui s’échappe de la surface est égal au nombre de molécules d’eau qui réintègre le liquide à partir de l’atmosphère. Lorsque la pression partielle de vapeur d’eau est égale à la pression de vapeur saturante, la masse d’air est à 100 % d’humidité.

Un liquide entre en ébullition lorsque sa pression de vapeur saturante est équivalente à la pression totale extérieure au liquide. Pour faire bouillir de l’eau, il y a donc deux possibilités : augmenter sa température ou diminuer la pression du récipient dans lequel elle est contenue. A l’air libre, l’eau entre en ébullition lorsque la pression de vapeur saturante est égale à celle de la pression atmosphérique. C’est ce point, à la pression atmosphérique standard au niveau de la mer (1013 hPa), qui a été choisi par Anders Celsius en 1742 pour fixer le degré 100 de son échelle de température centigrade.

Plus concrètement

Comme la pression de vapeur saturante est directement reliée à la température du liquide, plus la température est élevée, plus la pression de vapeur l’est également. Par conséquent, tout changement de pression atmosphérique change la température d’ébullition de l’eau : une augmentation de la pression atmosphérique augmente cette température, alors qu’une diminution de la pression atmosphérique l’abaisse.

La figure 1 montre que pour faire bouillir de l’eau au niveau de la mer, il faut la chauffer à 100°C ; vers 1500 m sur les crêtes du Jura ou la pression atmosphérique avoisine les 850 hPa, l’eau bout à 95°C environ. Au sommet du Mt-Blanc (500 hPa environ), l’eau bout à 84°C environ et à 70°C seulement au sommet de l’Everest.

La figure 2 montre qu’à 100°C, la pression de vapeur saturante est égale à la pression atmosphérique standard au niveau de la mer (1013 hPa). Il ressort également de ce tableau qu’il est possible de faire bouillir de l’eau à température ambiante (environ 15°C) si l’on abaisse la pression atmosphérique à environ 17 hPa (ce qui représente en atmosphère libre une altitude de plus de 20'000 m). Cette expérience est fréquemment effectuée dans les laboratoires de physique des gymnases et collèges en faisant bouillir de l’eau sous une cloche dont on diminue la pression.

Une fois que l’eau bout, sa température demeure constante, même si on maintient l’eau sur une source d’énergie. En effet, l’apport d’énergie supplémentaire n’est pas utilisé pour chauffer l’eau, mais pour lui faire opérer un changement de la phase liquide à la phase gazeuse, ce qui nécessite énormément d’énergie. Ainsi, pour cuire des aliments en haute montagne, il faudra beaucoup plus de temps qu’en plaine dans la mesure où il ne sera pas possible de chauffer de l’eau au-dessus de son point d’ébullition, lequel peut être nettement inférieur à ce qu’il est au niveau de la mer.  On a vu en effet à la figure 1 qu’au sommet de l’Everest, il n’est pas possible de chauffer de l’eau au-delà de 70°.

 Pour conclure, une expérience intéressante peut être visualisée ici

Commentaires (9)

  1. Georges, 08.03.2018, 08:25

    Application pratique pour la cuisson en autocuiseur:
    Lorsque l'on arrête la cuisson, plus rien ne bout, mais tout le contenu de la cocotte est encore bien au dessus de 100°. Si la soupape est ouverte à ce moment là, il se produit une brusque chute de pression et tout se remet à bouillir fortement jusqu'à ce que la température repasse en dessous de 100°. Pas de problème pour la cuisson à l'eau mais le bouillon peut éventuellement mousser et déborder. C'est plus gênant pour la cuisson vapeur ou au bain marie: Des pommes de terres bien cuites peuvent exploser en purée et une crème caramel initialement bien ferme va se retrouver toute désagrégée au démoulage. Compte tenu de ce qui a été expliqué, c'est encore pire si on passe la cocotte fermée sous l'eau froide. La condensation de la vapeur provoque un vide partiel et la remise en ébullition n'en est que plus longue et plus violente. D'où l'intérêt dans certains cas de laisser la cocotte refroidir tranquillement sans rien faire....

  2. Schmidt, 08.03.2018, 08:09

    Oui et c'est pourquoi en altitude nos amis Népalais utilise des cocottes minutes qui permettent de cuire les aliments correctement car en augmentant la pression on arrive à nouveau à des bonnes températures d'eau.

  3. Katy, 07.03.2018, 23:18

    Bonsoir, je connais un ancien chef de cuisine de l'armée suisse qui disait toujours que pour faire cuire les pâtes à 2500m, il fallait attendre 30 minutes depuis l'ébullition pour mettre les pâtes dans l'eau.
    Sinon, elles se collaient....

  4. Claude Guignard, 07.03.2018, 19:45

    Il s'agit là d'un phénomène physique interessant qui n'a rien de mystérieux lorsqu'on l'explique experience à l'appui. Il en resulte si j'ai bien compris qu'il ne peut pas exister d'eau liquide avec une pression très basse voire nulle. De toute manière dans de telles conditions il n'existe en principe pas d'eau liquide car il fait bien trop froid. Toujours en principe la glace devrait alors se sublimer spontanément. .. Votre expérience ouvre la porte à bien d'autres questions. ..

    1. Alain, 07.03.2018, 21:24

      La sublimation de la glace sous-vide est précisément le procédé de lyophilisation. ;)

  5. Christophe, 07.03.2018, 17:57

    Pour pallier au problème de la cuisson en haute montagne, il suffit de prendre dans son sac à dos un cuiseur vapeur (une "cocotte minute") ! Existent-il des modèles ultra-légers pour les alpinistes ?

    1. reseda, 08.03.2018, 09:57

      oui, chez GSI Outdoors par exemple (modèle HALULITE PRESSURE COOKER).
      Cela reste tout de même lourd, à réserver au camp de base...

  6. René Rappaz, 07.03.2018, 16:39

    Merci pour avoir rafraîchi ma mémoire avec votre superbe exercice qui m'a mis sous pression quelques instants!
    Salutations à vous tous et toutes

  7. Eric Déjardin, 07.03.2018, 14:26

    Superbe article vulgarisant ce sujet complexe !