Teoría cinética
El proceso de evaporación puede explicarse mediante la teoría cinética. Al igual que las moléculas de gas, las moléculas de agua también se mueven. La diferencia radica en que las moléculas de agua no pueden separarse, ya que las fuerzas de atracción entre ellas aún las mantienen unidas. En cambio, las fuerzas de atracción entre las moléculas de gas son muy débiles, por lo que estas no pueden adherirse entre sí. Al moverse, las moléculas de agua poseen velocidad. Algunas alcanzan velocidades altas, mientras que otras lo hacen a velocidades bajas. La distribución de velocidades de las moléculas de agua se asemeja a la distribución de Maxwell.
La evaporación ocurre cuando la velocidad de las moléculas de agua es lo suficientemente alta como para que la fuerza de atracción entre ellas no pueda mantenerlas unidas. De forma similar a un cohete que se desplaza al espacio, su velocidad es lo suficientemente alta como para que la fuerza gravitatoria de la Tierra no pueda impedir que permanezca en ella. Cabe destacar que solo las moléculas que alcanzan velocidades elevadas pueden escapar de las fuerzas de atracción entre ellas. Las moléculas con velocidades bajas aún se combinan para formar agua.
Las moléculas de agua tienen masa y velocidad o rapidez, por lo que poseen energía cinética (EK = 1/2 mv).2Las moléculas de agua que se mueven a alta velocidad poseen mayor energía cinética que aquellas que se mueven a baja velocidad. Por lo tanto, se puede afirmar que las moléculas de agua que logran escapar de las fuerzas de atracción entre ellas (moléculas que se convierten en vapor) tienen una energía cinética considerable. Generalmente, la energía cinética de las moléculas de agua aumenta con la temperatura. Si la temperatura del agua es suficientemente alta, la energía cinética de las moléculas se incrementa, lo que resulta en una mayor evaporación. Esto concuerda con estudios que demuestran que la tasa de evaporación suele ser mayor a temperaturas elevadas.
Cuando secamos la ropa mojada al sol, esta absorbe el calor solar. La energía adicional del sol incrementa la energía cinética de las moléculas de agua en la ropa. Debido a este aumento, las moléculas de agua se mueven más rápido (su velocidad aumenta). Una vez que su velocidad o energía cinética alcanza un cierto valor, las moléculas de agua pueden vencer las fuerzas de atracción entre sí y convertirse en vapor. Es importante destacar que el secado de la ropa mojada no solo depende del calor solar. La ropa también puede secarse gracias al calor del aire circundante (transferencia de calor por conducción del aire a la ropa).
En un día caluroso, el suelo se calienta más rápidamente. Esto se debe a que su calor específico es bastante alto. El suelo calienta el aire que está encima (en este caso, la transferencia de calor se produce por conducción). El aire caliente se expande (su densidad disminuye) y asciende. Al pasar sobre la ropa mojada, las moléculas de aire chocan con las moléculas de agua de la ropa. Las moléculas de agua se mueven más rápido. Debido a esta mayor velocidad, su energía cinética aumenta. Estas moléculas de agua, al moverse rápidamente, chocan con otras moléculas de agua. Debido a las continuas colisiones con las moléculas de aire, las moléculas de agua se mueven aún más rápido (su energía cinética aumenta).
Una vez que su velocidad o energía cinética alcanza un cierto valor, las moléculas de agua que se mueven rápidamente pueden escapar de la atracción entre ellas y convertirse en vapor. La energía cinética de las moléculas de agua o de aire está estrechamente relacionada con la temperatura. Si la energía cinética de las moléculas de agua es alta, entonces la temperatura del agua también lo es. O viceversa, cuando la temperatura del agua es alta, la energía cinética de las moléculas de agua debe ser alta. La energía cinética también está relacionada con la velocidad. Cuanto mayor sea la energía cinética de las moléculas, mayor será su velocidad. O, a la inversa, cuanto mayor sea la velocidad de las moléculas, mayor será su energía cinética.
¿Qué ocurre con el agua caliente? El agua caliente tiene una temperatura elevada. Debido a esta alta temperatura, las moléculas de agua poseen una gran energía cinética promedio. Esta gran energía cinética promedio hace que muchas moléculas de agua se muevan a gran velocidad. Las moléculas de agua que se mueven a gran velocidad pueden escapar de las fuerzas de atracción entre ellas y convertirse en vapor. Solo las moléculas de agua con alta velocidad (moléculas con gran energía cinética) se convierten en vapor, mientras que las moléculas de agua con baja velocidad (moléculas con poca energía cinética) no lo hacen. Por lo tanto, cuando las moléculas de agua con alta velocidad se convierten en vapor, la energía cinética promedio de las moléculas de agua que permanecen juntas disminuye. Cuanto menor sea la energía cinética promedio, menor será la temperatura del agua (el agua se enfriará). En base a esta breve descripción, se puede afirmar que la evaporación es un proceso de enfriamiento.
El proceso de enfriamiento causado por la evaporación es algo común en la vida cotidiana. Cuando el aire está muy caliente, el cuerpo absorbe mucho calor. Para mantener una temperatura corporal constante, el cuerpo suele liberar calor a través del sudor. Debido a que el sudor recibe calor adicional del sol y del aire circundante, la energía cinética de las moléculas de sudor aumenta. Debido a que la energía cinética de las moléculas de sudor aumenta, la velocidad de las moléculas de sudor aumenta. Las moléculas de sudor se convierten en vapor. Cuando el sudor se evapora, el cuerpo se siente fresco. Aquí hay otro ejemplo... Normalmente, después de ducharnos, nuestro cuerpo se siente fresco. Esto se debe a que el agua que se adhiere a la superficie de la piel se evapora.
El proceso de evaporación descrito anteriormente ocurre todos los días. El agua de mar, el agua de los lagos y el agua de los ríos también pueden evaporarse…
Presión de vapor
Aquí, "vapor" se refiere al vapor de agua. Observe la imagen. Un recipiente cerrado lleno de agua (supongamos que se ha extraído el aire). Según la teoría cinética, las moléculas de agua están siempre en movimiento. Al moverse, las moléculas de agua poseen velocidad y energía cinética. Las moléculas de agua con suficiente velocidad y energía cinética pueden escapar de las fuerzas de atracción entre ellas y convertirse en vapor. El mismo proceso ocurre con las moléculas de agua en el recipiente contiguo. Con el paso del tiempo, cada vez más moléculas de agua se convierten en vapor. Debido a que el recipiente está cerrado, las moléculas de agua convertidas en vapor no pueden escapar a la atmósfera (quedan atrapadas). La cantidad de moléculas de agua que se convierten en vapor es lo suficientemente grande como para que exista la posibilidad de colisiones entre las moléculas y las paredes del recipiente.
Algunas de las moléculas que chocan contra las paredes del recipiente se reflejan hacia la superficie del agua y se combinan para formar agua. Este proceso se repite continuamente. Con el paso del tiempo, cada vez más moléculas de agua se convierten en vapor (pasan de líquido a vapor). Al mismo tiempo, algunas de las moléculas que chocan contra las paredes del recipiente vuelven a convertirse en agua (pasan de vapor a líquido). Si el número de moléculas que pasan de líquido a vapor es igual al número de moléculas que pasan de vapor a líquido, se alcanza el equilibrio. Cuando se alcanza el equilibrio, se dice que la parte superior del recipiente que contiene vapor está saturada. La presión de vapor en la región saturada se conoce como presión de vapor saturado.
El cambio de estado líquido a gaseoso se denomina evaporación. El cambio de estado gaseoso a líquido se denomina condensación. Cabe destacar que la presión de vapor saturado depende únicamente de la temperatura y no del volumen. A medida que aumenta la temperatura del agua, aumenta la energía cinética de las moléculas de agua.
La energía cinética de las moléculas de agua aumenta, por lo que su velocidad también debe aumentar. De esta forma, cada vez más moléculas con alta velocidad se convertirán en vapor (cambiarán de estado líquido a gaseoso). Dado que el volumen del recipiente es fijo, la presión de vapor solo depende del número de moléculas (N) y de su velocidad (v).
Cuantas más moléculas (mayor N) se conviertan en vapor y mayor sea la velocidad de estas moléculas (mayor v), mayor será la presión de vapor. Por lo tanto, el equilibrio se alcanzará a una mayor presión de vapor. En consecuencia, la presión de vapor saturado también aumentará. La presión de vapor saturado solo existe cuando se alcanza el equilibrio. A continuación se muestra la variación de la presión de vapor saturado del agua con la temperatura.
La presión de vapor depende del volumen, pero la presión de vapor saturado no. Si el volumen de un recipiente aumenta o disminuye, eventualmente se alcanzará el equilibrio. La ilustración anterior sirve simplemente para ayudarle a comprender la presión de vapor saturado que se produce en la atmósfera. La diferencia radica en que, en la ilustración anterior, asumimos que no había aire en la parte del recipiente que no contenía agua. Por lo tanto, dicha parte estaba ocupada únicamente por vapor de agua. En cambio, la superficie terrestre siempre está llena de aire. Las colisiones entre las moléculas de vapor y otras moléculas de gas solo prolongan el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio. Sin embargo, el equilibrio se alcanzará cuando el número de moléculas de agua que se convierten en vapor sea igual al número de moléculas de vapor que se convierten en agua.
