La evaporación es un tipo de vaporización que ocurre en la superficie de un líquido a medida que cambia a la fase gaseosa. [1] Una alta concentración de la sustancia que se evapora en el gas circundante ralentiza significativamente la evaporación, como cuando la humedad afecta la tasa de evaporación del agua. [2] Cuando las moléculas del líquido chocan, se transfieren energía entre sí en función de cómo chocan. Cuando una molécula cerca de la superficie absorbe suficiente energía para superar la presión de vapor , escapará y entrará al aire circundante en forma de gas. [3] Cuando se produce la evaporación, la energía extraída del líquido vaporizado reducirá la temperatura del líquido, lo que dará como resultado un enfriamiento por evaporación. [4]
En promedio, sólo una fracción de las moléculas de un líquido tiene suficiente energía térmica para escapar del líquido. La evaporación continuará hasta alcanzar un equilibrio en el que la evaporación del líquido sea igual a su condensación. En un ambiente cerrado, un líquido se evaporará hasta que el aire circundante se sature.
La evaporación es una parte esencial del ciclo del agua . El sol (energía solar) impulsa la evaporación del agua de los océanos , lagos, la humedad del suelo y otras fuentes de agua. En hidrología , la evaporación y la transpiración (que implica la evaporación dentro de los estomas de las plantas ) se denominan colectivamente evapotranspiración . La evaporación del agua ocurre cuando la superficie del líquido queda expuesta, lo que permite que las moléculas escapen y formen vapor de agua; Este vapor puede luego elevarse y formar nubes. Con suficiente energía, el líquido se convertirá en vapor.
Para que las moléculas de un líquido se evaporen, deben estar ubicadas cerca de la superficie, deben moverse en la dirección adecuada y tener suficiente energía cinética para superar las fuerzas intermoleculares de la fase líquida . [5] Cuando sólo una pequeña proporción de las moléculas cumple estos criterios, la tasa de evaporación es baja. Dado que la energía cinética de una molécula es proporcional a su temperatura, la evaporación ocurre más rápidamente a temperaturas más altas. A medida que escapan las moléculas que se mueven más rápido, las moléculas restantes tienen una energía cinética promedio más baja y la temperatura del líquido disminuye. Este fenómeno también se llama enfriamiento evaporativo . Por eso la evaporación del sudor enfría el cuerpo humano. La evaporación también tiende a ocurrir más rápidamente con mayores caudales entre las fases gaseosa y líquida y en líquidos con mayor presión de vapor . Por ejemplo, la ropa tendida en un tendedero se secará (por evaporación) más rápidamente en un día ventoso que en un día tranquilo. Tres partes clave de la evaporación son el calor, la presión atmosférica (determina el porcentaje de humedad) y el movimiento del aire.
A nivel molecular, no existe un límite estricto entre el estado líquido y el estado de vapor. En cambio, hay una capa de Knudsen , donde la fase es indeterminada. Debido a que esta capa tiene solo unas pocas moléculas de espesor, a escala macroscópica no se puede ver una interfaz de transición de fase clara. [6]
Los líquidos que no se evaporan visiblemente a una temperatura determinada en un gas determinado (por ejemplo, aceite de cocina a temperatura ambiente ) tienen moléculas que no tienden a transferir energía entre sí en un patrón suficiente para darle frecuentemente a una molécula la energía térmica necesaria para convertirse. en vapor. Sin embargo, estos líquidos se están evaporando. Lo que pasa es que el proceso es mucho más lento y, por tanto, mucho menos visible.
Si la evaporación tiene lugar en un área cerrada, las moléculas que se escapan se acumulan en forma de vapor sobre el líquido. Muchas de las moléculas regresan al líquido, y el retorno de las moléculas se vuelve más frecuente a medida que aumentan la densidad y la presión del vapor. Cuando el proceso de escape y retorno alcanza un equilibrio , [5] se dice que el vapor está "saturado" y no se producirán más cambios ni en la presión y densidad del vapor ni en la temperatura del líquido. Para un sistema formado por vapor y líquido de una sustancia pura, este estado de equilibrio está directamente relacionado con la presión de vapor de la sustancia, como lo indica la relación de Clausius-Clapeyron :
donde P 1 , P 2 son las presiones de vapor a las temperaturas T 1 , T 2 respectivamente, Δ H vap es la entalpía de vaporización y R es la constante universal de los gases . La tasa de evaporación en un sistema abierto está relacionada con la presión de vapor encontrada en un sistema cerrado. Si se calienta un líquido, cuando la presión de vapor alcanza la presión ambiente, el líquido hervirá .
La capacidad de evaporación de una molécula de un líquido se basa en gran medida en la cantidad de energía cinética que pueda poseer una partícula individual. Incluso a temperaturas más bajas, las moléculas individuales de un líquido pueden evaporarse si tienen más de la cantidad mínima de energía cinética necesaria para la vaporización.
Nota: Aquí se utiliza aire como ejemplo común de gas circundante; sin embargo, otros gases pueden desempeñar ese papel.
En los EE. UU., el Servicio Meteorológico Nacional mide, en varios lugares al aire libre en todo el país, la tasa real de evaporación de una superficie de agua abierta "pan" estandarizada . Otros hacen lo mismo en todo el mundo. Los datos de EE. UU. se recopilan y compilan en un mapa de evaporación anual. Las medidas varían desde menos de 30 hasta más de 120 pulgadas (3000 mm) por año.
Debido a que normalmente tiene lugar en un entorno complejo, donde "la evaporación es un evento extremadamente raro", el mecanismo de evaporación del agua no se comprende completamente. Los cálculos teóricos requieren simulaciones por ordenador prohibitivamente largas y grandes. "La tasa de evaporación del agua líquida es una de las principales incertidumbres en los modelos climáticos modernos". [7] [8]
La evaporación es un proceso endotérmico , ya que durante la evaporación se absorbe calor.
Las gotas de combustible se vaporizan a medida que reciben calor al mezclarse con los gases calientes en la cámara de combustión. El calor (energía) también puede recibirse por radiación de cualquier pared refractaria caliente de la cámara de combustión.
Los motores de combustión interna dependen de la vaporización del combustible en los cilindros para formar una mezcla de combustible y aire para quemar bien. Se ha determinado que la mezcla de aire y combustible químicamente correcta para la quema total de gasolina es 15 partes de aire por una parte de gasolina o 15/1 en peso. Cambiando esto a una relación de volumen se obtienen 8000 partes de aire por una parte de gasolina o 8000/1 por volumen.
Las películas delgadas se pueden depositar evaporando una sustancia y condensándola sobre un sustrato, o disolviendo la sustancia en un solvente, extendiendo la solución resultante finamente sobre un sustrato y evaporando el solvente. La ecuación de Hertz-Knudsen se utiliza a menudo para estimar la tasa de evaporación en estos casos.
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Medios relacionados con la evaporación en Wikimedia Commons