Evaporació

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
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 són 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·lideixen, transfereixen energia a cada altra molècula en diferent intensitat, basat en com col·lideixen. A vegades la transferència és tant en un sol sentit per a una molècula propera a la superfície que acaba tenint prou energia per escapar del líquid (evapora).

Teoria[modifica | modifica el codi]

Perquè les molècules d'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.[1] Quan poques molècules compleixen aquests requisits, la ràtio d'evaporació és petita. Com que l'energia cinètica d'una molècula és proporcional a la seva temperatura, la evaporació és més rapida a temperatures superiors. Quant més 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 més 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 la calor, la pressió atmosfèrica (determina la humitat relativa) i el moviment de l'aire. A nivell molecular, no hi ha un lligament estricte entre l'estat líquid i l'estat vapor. En comptes d'això, hi ha la Capa de Knudsen, on la fase no està determinada. Perque aquesta capa només és d'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: l'oli de cuina a la temperatura de 25 °C) tenen molècules que no tendeixen a transferir energia a les altres seguint un patró.

Equilibri evaporatiu[modifica | modifica el codi]

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. Diversos d'aquestes molècules retornen al líquid, sent més freqüents els retorns com més alta és la densitat i la pressió del vapor. Quan el procés d'escapament i retorn arriba a un equilibri.[1] 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 d'equilibri està directament relacionat amb la pressió de vapor de la substància com ens dóna 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. ΔHvap és l'entalpia de vaporització i 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 de l'ambient el líquid bullirà. L'habilitat per a una molècula d'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 d'un líquid es poden evaporar si tenen més que el mínim d'energia cinètica necessària per a la vaporització

Descripció termodinàmica[modifica | modifica el codi]

En el procés d'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 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
  • ρs = densitat del vapor d'aigua a la superfície evaporant
  • ρr = densitat del vapor d'aigua a la interfície capa límit-atmosfera
  • λ = calor latent de vaporització
  • ψs = pressió de vapor a la superfície evaporant
  • ψr = pressió de vapor a la interfície capa límit-atmosfera
  • δ/D = Ra (resistència a la difusió)
  • Rt = 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[modifica | modifica el codi]

Concentració de la substància que s'evapora a l' aire

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

Concentració d'altres substàncies 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 substància constantment, llavors la concentració de la substància 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 d'un augment del gradient de concentració de les molècules.

Forces intermoleculars

quan mes fortes siguin les forces que mantenen les molècules d'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 més 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[modifica | modifica el codi]

  • Sze, Simon Min. Semiconductor Devices: Physics and Technology. ISBN 0-471-33372-7.  Has an especially detailed discussion of film deposition by evaporation.
  1. 1,0 1,1 Silberberg, Martin A. Chemistry. 4th edition. New York: McGraw-Hill, 2006, p. 431–434. ISBN 0-07-296439-1. 

Vegeu també[modifica | modifica el codi]

Enllaços externs[modifica | modifica el codi]