Evaporació

Aerosol de gotes d’aigua microscòpiques suspeses en l’aire sobre un got de te calent després que el vapor s’hagi refredat prou i condensat. El vapor d’aigua es un gas invisible, però els núvols de aigua condensada refracten i dispersen la llum del sol i per això son visibles.

L'evaporació és la vaporització progressiva d'un líquid, a una temperatura inferior a la d'ebullició, o sigui, es pot produir a qualsevol temperatura. És un tipus de canvi d'estat que fa que les molècules d'una substància en estat líquid, com podria ser l'aigua, esdevinguin gasoses, vapor d'aigua en l'exemple. De forma normal, les molècules en un vas d’aigua no tenen prou energia calorífica per escapar del líquid. Amb prou calor, el líquid es tornaria vapor ràpidament (Veure punt d’ebullició). Quan les molècules col·lisionen, transfereixen energia a cada altra molècula en diferent intensitat, basat en com col·lisionen. A vegades la transferència es tant en un sol sentit per a una molècula propera a la superfície que acaba tenint prou energia per escapar del líquid (evapora).

Teoria

Perquè les molècules de un líquid s’evaporin, han de trobar-se a prop de la superfície, estar-se movent en la direcció adequada, i tenir la suficient energia cinètica per superar les forces intermoleculars de la fase liquida. Quan poques molècules compleixen aquests requisits, la ràtio de evaporació és petita. Com que l'energia cinètica de una molècula es proporcional a la seva temperatura, la evaporació es mes rapida a temperatures superiors. Quan mes ràpidament s’escapen les molècules, les molècules restants tenen una energia cinètica mitjana inferior, i la temperatura del líquid decreix. Aquest fenomen s’anomena refredament evaporatiu. Per això el cos es refreda evaporant suor. L’evaporació tendeix també a ser mes ràpida amb majors fluxos gasosos sobre la interfície líquid gas, i amb líquids amb una major pressió de vapor. Tres parts clau per evaporar són el calor, la pressió atmosfèrica (determina la humitat relativa) i el moviment del aire. A nivell molecular, no hi ha un lligament estricte entre el estat líquid i el estat vapor. En comptes de això, hi ha la Capa de Knudsen, on la fase no està determinada. Perque aquesta capa només es de unes poques molècules de gruix, a nivell macroscòpic es veu una clara interfase. Els líquids que no s’evaporen visiblement a una temperatura donada per a un gas donat (ex: el oli de cuina a la temperatura de 25 ºC) tenen molècules que no tendeixen a transferir energia a les altres seguint un patró.

Equilibri evaporatiu

Vapor pressure of water vs. temperature. 760 Torr = 1 atm

Si l’evaporació té lloc en una zona tancada les molècules que escapen s’acumulen com a vapor per sobre del líquid. Varies de aquestes molècules retornen al líquid, sent mes freqüents els retorns quan més alta es la densitat i la pressió del vapor. Quan el procés de escapament i retorn arriba a un equilibri. El vapor es diu que ha “saturat”, i ja no varia la pressió de vapor ni la densitat. Per a un sistema que consisteix amb un vapor i un líquid purs, el estat de equilibri esta directament relacionat amb la pressió de vapor de la substancia, com ens dona la relació de Clausius-Claperyon

$\ln \left( \frac{ P_2 }{ P_1 } \right) = - \frac{ \Delta H_{ vap } }{ R } \left( \frac{ 1 }{ T_2 } - \frac{ 1 }{ T_1 } \right)$

On P₁, P₂ són les pressions de vapor a les temperatures T₁, T₂ respectivament. ΔH_vap és la entalpia de vaporització R és la constant universal dels gasos. La ràtio d’evaporació per a un sistema obert està relacionat amb la pressió de vapor trobada en el sistema tancat. Si un líquid s’escalfa, quan la pressió de vapor assoleix la del ambient el líquid bullirà. La habilitat per a una molècula de un líquid per evaporar-se està basada majorment en l'energia cinètica que la partícula individual posseeix. Fins i tot a temperatures baixes, molècules individuals de un líquid es poden evaporar si tenen mes que el mínim de energia cinètica necessària per a la vaporització

Descripció termodinàmica

En el procés de evaporar, l'entalpia de líquid sotmès a l'evaporació disminueix en una quantitat específica anomenada calor latent del líquid, un fet degut a la pèrdua d'energia cinètica. En els líquids purs (no en el cas de les solucions), aquesta transferència d'energia es produeix de manera isotèrmica, és a dir, sense variació de la temperatura.

A diferència del fenomen de l'ebullició, que es produeix a temperatures característiques per a cada tipus de substància, a una pressió fixa, i involucra tota la massa del líquid, l'evaporació es produeix a qualsevol temperatura, i només afecta a la superfície del líquid.

El fenomen de l'evaporació segueix la llei de Dalton:

$E = - \left[D\frac{\left(\rho_s-\rho_r\right)}{\delta}\right]\qquad\frac{\left[g\right]}{\left[cm^2\right]\left[min\right]}$

o en termes d'energia:

$E\lambda = -\lambda \left[D\frac{\left(\rho_s-\rho_r\right)}{\delta}\right]\qquad\frac{\left[cal\right]}{\left[cm^2\right]\left[min\right]}$

Per transformar l'equació en termes de pressió de vapor es pot utilitzar la llei de Boyle:

$\rho = 2,14 \frac{\psi}{T}$

i, per tant:

$E\lambda = -\lambda\left[D\frac{2,14 \left(\psi_s-\psi_r\right)}{T}\right]\delta$

• D = difusivitat del vapor d'aigua
• δ = gruix de la capa límit
• ρ_s = densitat del vapor d'aigua a la superfície evaporant
• ρ_r = densitat del vapor d'aigua a la interfície capa límit-atmosfera
• λ = calor latent de vaporització
• ψ_s = pressió de vapor a la superfície evaporant
• ψ_r = pressió de vapor a la interfície capa límit-atmosfera
• δ/D = Ra (resistència a la difusió)
• R_t = resistència addicional, tenint en compte que l'aigua no està directament en contacte amb l'atmosfera, però es troba dins dels teixits de les plantes

i, per tant:

$E\lambda = -\lambda\frac{\left[2,14 \left(\psi_s-\psi_r\right)\right]}{T}R_a R_t$

Factors que influencien la ràtio de evaporació

Concentració de la substància que s’evapora al aire

Si l’aire ja té una alta concentració de la substancia a evaporar, llavors la substància donada s’evaporarà més lentament.

Concentració d’altres substancies al aire

Si l’aire ja està saturat amb altres substàncies, pot tenir una menor capacitat per evaporar la substància

El flux d’aire superficial

Si l’aire fred es mou sobre la substancia constantment, llavors la concentració de la substancia a just a sobre de la interfase té poca tendència a augmentar amb el temps, ja que l’aire desplaçarà les molècules de vapor de la interfase, afavorint la evaporació a causa de un augment del gradient de concentració de les molècules.

Forces intermoleculars

quan mes fortes siguin les forces que mantenen les molècules de un líquid juntes, més energia caldrà per escapar. Això es caracteritza amb la entalpia de vaporització.

Pressió

L’evaporació és més rapida si s’exerceix menys pressió a la superfície que mantingui a les molècules movent-se entre elles

Àrea superficial

Una substància que tingui una àrea superficial major s’evaporarà mes ràpidament, ja que la superfície des de la qual les molècules es poden escapar és molt major.

Temperatura de la substància

Si la temperatura de la substància és superior, llavors les molècules tenen una energia cinètica mitjana superior, i s’evaporaran més ràpidament.

Densitat

Quan més gran es la densitat, més lentament un líquid s’evapora.

Referències

• Sze, Simon Min. Semiconductor Devices: Physics and Technology. ISBN 0-471-33372-7.  Has an especially detailed discussion of film deposition by evaporation.

Vegeu també

• Evapotranspiració
• Calor de vaporització
• Calor latent
• Transpiració vegetal

Enllaços externs

• (francès) Vídeo explicatiu sobre el caràcter endotèrmic de l'evaporació
• (anglès) Evaporation, Geotechnical, Rock and Water Resources Library.