La evaporación es un tipo de vaporización que ocurre en la superficie de un líquido cuando 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 velocidad 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 como gas. [3] Cuando ocurre la evaporación, la energía eliminada del líquido vaporizado reducirá la temperatura del líquido, lo que dará como resultado un enfriamiento por evaporación. [4]
En promedio, solo una fracción de las moléculas de un líquido tienen suficiente energía térmica para escapar del líquido. La evaporación continuará hasta que se alcance un equilibrio cuando la evaporación del líquido sea igual a su condensación. En un entorno cerrado, un líquido se evaporará hasta que el aire circundante esté saturado.
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 se produce cuando la superficie del líquido queda expuesta, lo que permite que las moléculas escapen y formen vapor de agua; este vapor puede luego ascender 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 solo 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 se produce más rápidamente a temperaturas más altas. A medida que las moléculas que se mueven más rápido escapan, las moléculas restantes tienen una energía cinética promedio más baja y la temperatura del líquido disminuye. Este fenómeno también se llama enfriamiento por evaporación . Es por eso que la evaporación del sudor enfría el cuerpo humano. La evaporación también tiende a producirse más rápidamente con mayores velocidades de flujo entre la fase gaseosa y líquida y en líquidos con mayor presión de vapor . Por ejemplo, la ropa en un tendedero se secará (por evaporación) más rápidamente en un día ventoso que en un día tranquilo. Tres partes clave para 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, existe una capa de Knudsen , donde la fase es indeterminada. Como 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 dada en un gas determinado (por ejemplo, el aceite de cocina a temperatura ambiente ) tienen moléculas que no tienden a transferirse energía entre sí en un patrón suficiente para dar con frecuencia 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 lo tanto, significativamente menos visible.
Si la evaporación tiene lugar en un área cerrada, las moléculas que escapan se acumulan en forma de vapor sobre el líquido. Muchas de las moléculas regresan al líquido, y las moléculas que regresan se vuelven más frecuentes a medida que aumenta 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 la densidad del vapor ni en la temperatura del líquido. Para un sistema que consta de vapor y líquido de una sustancia pura, este estado de equilibrio está directamente relacionado con la presión de vapor de la sustancia, como se indica mediante 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 que se encuentra en un sistema cerrado. Si se calienta un líquido, cuando la presión de vapor alcanza la presión ambiente, el líquido hervirá .
La capacidad de una molécula de un líquido para evaporarse depende en gran medida de 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 que la cantidad mínima de energía cinética necesaria para la vaporización.
Nota: Aquí se utiliza el aire como un ejemplo común del gas circundante; sin embargo, otros gases pueden cumplir esa función.
En Estados Unidos, el Servicio Meteorológico Nacional mide, en varios lugares al aire libre de todo el país, la tasa real de evaporación de una superficie de agua abierta estandarizada . Otros hacen lo mismo en todo el mundo. Los datos de Estados Unidos se recopilan y compilan en un mapa de evaporación anual. Las mediciones varían entre menos de 30 y más de 120 pulgadas (3000 mm) por año.
Como suele ocurrir en un entorno complejo, donde "la evaporación es un fenómeno extremadamente raro", el mecanismo de evaporación del agua no se entiende por completo. Los cálculos teóricos requieren simulaciones informáticas de un tamaño prohibitivamente largo y de gran tamaño. "La tasa de evaporación del agua líquida es una de las principales incertidumbres en la modelización climática moderna". [8] [9]
La evaporación es un proceso endotérmico , ya que durante la evaporación se absorbe calor.
Las gotas de combustible se vaporizan al recibir calor al mezclarse con los gases calientes en la cámara de combustión. El calor (energía) también puede recibirse por radiación desde 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 aire y combustible que permita una buena combustión. Se ha determinado que la mezcla de aire y combustible químicamente correcta para la combustión total de la gasolina es de 15 partes de aire por una parte de gasolina, o 15/1 en peso. Si se cambia esta proporción a una proporción de volumen, se obtienen 8000 partes de aire por una parte de gasolina, o 8000/1 en volumen.
Las películas delgadas se pueden depositar evaporando una sustancia y condensándola sobre un sustrato, o disolviendo la sustancia en un solvente, esparciendo la solución resultante sobre un sustrato y evaporando el solvente. La ecuación de Hertz-Knudsen se utiliza a menudo para estimar la velocidad de evaporación en estos casos.
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