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 se dispersan porque la atracción entre ellas las mantiene unidas. En cambio, la atracción entre las moléculas de gas es débil, por lo que estas no pueden fusionarse. Al moverse, las moléculas de agua poseen velocidad. Existen moléculas de agua con alta velocidad y otras con baja velocidad. La distribución de la velocidad 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 atracción entre ellas sea incapaz de mantenerlas unidas. De forma similar a los cohetes que se desplazan al espacio, la velocidad de un cohete es lo suficientemente alta como para que la fuerza gravitatoria de la Tierra no pueda retenerlo. Cabe destacar que solo las moléculas con velocidades elevadas pueden escapar de la atracción entre ellas. Las moléculas con velocidades bajas permanecen unidas, como el agua.
Las moléculas de agua poseen masa y velocidad, por lo que tienen energía cinética (EK = 1/2 m v²). Las moléculas de agua que se mueven a alta velocidad tienen mayor energía cinética que las que se mueven a baja velocidad. Por lo tanto, se puede afirmar que las moléculas de agua que logran escapar de la atracción entre moléculas (moléculas de agua que se convierten en vapor) poseen 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 de agua aumenta, lo que resulta en una mayor cantidad de agua que se convierte en vapor. Esto concuerda con los resultados de investigaciones que demuestran que la tasa de evaporación suele ser mayor a altas temperaturas.
Cuando secamos la ropa mojada al sol, esta absorbe el calor solar. Esta energía solar 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 la velocidad o la energía cinética alcanzan un valor determinado, las moléculas de agua pueden liberarse de la atracción entre sí y convertirse en vapor. Cabe destacar que el secado de la ropa mojada no solo se ve afectado por el calor solar. La ropa también puede secarse gracias al calor del aire circundante (el calor se transmite por conducción del aire a la ropa mojada).
Durante un día caluroso, el suelo se calienta. El suelo calienta el aire que está encima (en este caso, transferencia de calor por conducción). El aire caliente se expande (la densidad disminuye) y asciende. Al pasar sobre ropa mojada, las moléculas de agua chocan entre sí dentro de la ropa. Las moléculas de agua se mueven más rápido, lo que aumenta su energía cinética. Las moléculas de agua que se mueven rápidamente chocan con otras moléculas de agua. Debido a que son golpeadas continuamente por las moléculas de aire, las moléculas de agua se mueven más rápido (la energía cinética aumenta). Una vez que la velocidad o la energía cinética alcanzan un valor específico, las moléculas de agua que se mueven rápidamente pueden escapar de la atracción entre moléculas y convertirse en vapor. La energía cinética de las moléculas de agua está estrechamente relacionada con la temperatura. Si la energía cinética de las moléculas de agua es alta, entonces la temperatura del agua también es alta. 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 la molécula, mayor será su velocidad. O, a la inversa, cuanto mayor sea la velocidad de la molécula, mayor será su energía cinética.
¿Y qué ocurre con el agua caliente? El agua caliente tiene una temperatura elevada. Debido a esta alta temperatura, las moléculas de agua poseen una energía cinética relativamente alta. Gracias a esta considerable energía cinética, muchas moléculas de agua alcanzan velocidades elevadas. Al moverse a gran velocidad, las moléculas de agua pueden escapar de la fuerza de atracción entre ellas y convertirse en vapor. Las moléculas de agua con baja velocidad (con poca energía cinética) no se convierten en vapor. Por lo tanto, cuando las moléculas de agua con alta velocidad se convierten en vapor, su energía cinética promedio disminuye. Cuanto menor sea la energía cinética promedio, menor será la temperatura del agua. En base a esta breve descripción, podemos afirmar que la evaporación es un proceso de enfriamiento.
El proceso de enfriamiento por evaporación es algo que experimentamos a diario. Cuando el aire está lo suficientemente caliente, el cuerpo absorbe mucho calor. Para mantener la temperatura corporal constante, el cuerpo libera calor a través del sudor. Dado que el sudor absorbe calor del sol y del aire circundante, la energía cinética de las moléculas de agua aumenta. Al aumentar la energía cinética de las moléculas de agua, aumenta su velocidad. Las moléculas de sudor se convierten en vapor. Cuando el sudor se evapora, el cuerpo siente frescor.
Normalmente, después de bañarnos, nuestro cuerpo se siente fresco. Esto se debe a que el agua adherida 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 figura. Un recipiente cerrado lleno de agua (supongamos que se ha extraído el aire del interior). Según la teoría cinética, las moléculas de agua siempre se mueven. Al moverse, las moléculas de agua poseen velocidad y energía. Las moléculas de agua con alta velocidad y energía cinética logran vencer la fuerza de atracción entre ellas y se convierten en vapor.
El mismo proceso ocurre con las moléculas de agua en un recipiente. 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 considerable, por lo que existe la posibilidad de que colisionen con las paredes del recipiente.
Algunas moléculas que chocan contra las paredes del recipiente se reflejan hacia la superficie del agua y se mezclan con ella. Este proceso se repite continuamente. Con el 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 un equilibrio. Cuando se produce este equilibrio, se dice que la parte superior del recipiente que contiene el gas está saturada. La presión de vapor en la región saturada se conoce como presión de vapor saturado.
El cambio de estado de líquido a vapor se denomina evaporación. Sin embargo, el cambio de estado de vapor a líquido se denomina condensación. Cabe destacar que la presión de vapor saturado depende únicamente de la temperatura y no del volumen. Si la temperatura del agua aumenta, la energía cinética de las moléculas de agua también aumenta.
La energía cinética de las moléculas de agua aumenta, por lo que su velocidad también debe aumentar. De este modo, cada vez más moléculas de alta velocidad se transformarán en vapor (pasando de estado líquido a gaseoso). Dado que el volumen del recipiente es fijo, la presión de vapor depende únicamente del número de moléculas (N) y de su velocidad (v).
Cuantas más moléculas se convierten en vapor y mayor es su velocidad, mayor es la presión de vapor. Por lo tanto, el equilibrio se alcanza a mayor presión de vapor. En consecuencia, la presión de vapor saturado también es mayor. La presión de vapor saturado solo existe cuando se alcanza el equilibrio.
La presión de vapor depende del volumen, pero la presión de vapor saturado no. Si el volumen del recipiente aumenta o disminuye, se alcanzará un equilibrio. La ilustración anterior solo pretende ilustrar la presión de vapor saturado que se produce en la atmósfera. La diferencia radica en que, en el ejemplo anterior, suponemos que no hay agua en la parte del recipiente que no la contiene. Por lo tanto, dicha parte está ocupada únicamente por vapor de agua. En cambio, la superficie terrestre siempre está llena de aire. La colisión entre las moléculas de vapor y otras moléculas de gas solo prolonga el equilibrio. Sin embargo, en algún momento se alcanzará un equilibrio 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.
