Teoría cinética
O proceso de evaporación pódese explicar mediante a teoría cinética. Do mesmo xeito que as moléculas de gas, as moléculas de auga tamén se moven. A diferenza é que as moléculas de auga non se poden separar porque as forzas atractivas entre elas aínda son capaces de mantelas unidas. Pola contra, as forzas atractivas entre as moléculas de gas son moi débiles, polo que as moléculas de gas non poden pegarse. Cando se moven, as moléculas de auga teñen velocidade. Algunhas moléculas de auga teñen velocidades altas, mentres que outras teñen velocidades baixas. A distribución das velocidades das moléculas de auga parécese á distribución de Maxwell.
A evaporación ocorre cando a velocidade das moléculas de auga é o suficientemente grande como para que a forza atractiva entre as moléculas de auga non sexa capaz de mantelas unidas. Do mesmo xeito que un foguete que se move ao espazo, a velocidade do foguete é o suficientemente grande como para que a forza gravitacional da Terra non sexa capaz de impedilo permanecer na Terra. Cómpre sinalar que só as moléculas que teñen velocidades grandes poden escapar das forzas atractivas entre as moléculas. As moléculas con velocidades pequenas aínda se combinan para formar auga.
As moléculas de auga teñen masa e velocidade, polo que as moléculas de auga teñen enerxía cinética (EK = 1/2 mv² ) . As moléculas de auga que teñen velocidades altas teñen unha enerxía cinética maior que as moléculas de auga que teñen velocidades baixas. Polo tanto, pódese dicir que as moléculas de auga que poden escapar das forzas atractivas entre as moléculas (moléculas de auga que se converten en vapor) teñen unha enerxía cinética bastante grande. Normalmente, a enerxía cinética das moléculas de auga aumenta a medida que aumenta a temperatura da auga. Se a temperatura da auga é o suficientemente alta, a enerxía cinética das moléculas de auga aumenta. Polo tanto, máis auga converterase en vapor. Isto concorda cos resultados da investigación que mostran que a taxa de evaporación adoita ser maior a altas temperaturas.
Cando secamos a roupa mollada ao sol, esta absorbe a calor que este emite. A enerxía adicional do sol fai que a enerxía cinética das moléculas de auga da roupa aumente. Debido a que a enerxía cinética aumenta, as moléculas de auga móvense máis rápido (a velocidade das moléculas de auga aumenta). Unha vez que a súa velocidade ou enerxía cinética alcanza un certo valor, as moléculas de auga poden escapar das forzas atractivas entre elas e converterse en vapor. É importante ter en conta que o secado da roupa mollada non só se ve influenciado pola calor adicional do sol. A roupa mollada tamén pode secar debido á calor adicional do aire quente que a rodea (transferencias de calor por condución do aire á roupa mollada).
Nun día caloroso, o chan ou o piso quéntase máis rápido. O chan quéntase rapidamente porque a súa calor específica é bastante grande. O chan quenta o aire que está enriba del (neste caso, a transferencia de calor ocorre por condución). O aire quente expándese (a súa densidade diminúe) e móvese cara arriba. Cando pasa por riba da roupa mollada, as moléculas de aire chocan coas moléculas de auga da roupa. As moléculas de auga móvense máis rápido. Debido a que se moven máis rápido, a enerxía cinética das moléculas de auga aumenta. As moléculas de auga que se moven rápido chocan con outras moléculas de auga. Debido a que as moléculas de aire chocan continuamente con elas, as moléculas de auga móvense máis rápido (a súa enerxía cinética aumenta).
Unha vez que a súa velocidade ou enerxía cinética alcanza un certo valor, as moléculas de auga que se moven rapidamente poden escapar da atracción entre as moléculas e converterse en vapor... A enerxía cinética das moléculas de auga ou de aire está estreitamente relacionada coa temperatura. Se a enerxía cinética das moléculas de auga é grande, entón ao mesmo tempo a temperatura da auga é alta. Ou viceversa, cando a temperatura da auga é alta, a enerxía cinética das moléculas de auga debe ser grande. A enerxía cinética tamén está relacionada coa velocidade. Canto maior sexa a enerxía cinética das moléculas, maior será a velocidade das moléculas. Ou pola contra, canto maior sexa a velocidade das moléculas, maior será a enerxía cinética das moléculas.
E que pasa coa auga quente? A auga quente ten unha temperatura alta. Debido a que a temperatura da auga é alta, as moléculas de auga da auga teñen unha enerxía cinética media grande. Debido a que a enerxía cinética media das moléculas de auga é grande, moitas moléculas de auga teñen velocidades altas (moitas moléculas de auga móvense rapidamente). As moléculas de auga que teñen alta velocidade poden escapar das forzas atractivas entre as moléculas e converterse en vapor. Só as moléculas de auga con alta velocidade (moléculas de auga con gran enerxía cinética) escapan en vapor, mentres que as moléculas de auga con baixa velocidade (moléculas de auga con pequena enerxía cinética) non se converten en vapor. Así, cando as moléculas de auga con alta velocidade se transforman en vapor, a enerxía cinética media das moléculas de auga que permanecen xuntas faise menor. Canto menor sexa a enerxía cinética media, menor será a temperatura da auga (a auga arrefría). Baseándose nesta breve descrición, pódese dicir que a evaporación é un proceso de arrefriamento.
O proceso de arrefriamento causado pola evaporación é algo común na vida cotiá. Cando o aire está bastante quente, o corpo absorbe moita calor. Para manter unha temperatura corporal constante, o corpo normalmente libera calor a través da suor. Debido a que a suor recibe calor adicional do sol e do aire circundante, a enerxía cinética das moléculas de suor aumenta. Debido a que a enerxía cinética das moléculas de suor aumenta, a velocidade das moléculas de suor aumenta. As moléculas de suor convértense en vapor. Cando a suor se evapora, o corpo séntese fresco. Velaquí outro exemplo... Normalmente, despois dunha ducha, o noso corpo séntese fresco. Isto débese a que a auga que se adhire á superficie da pel sofre evaporación.
O proceso de evaporación descrito anteriormente ocorre todos os días. A auga do mar, a auga dos lagos e a auga dos ríos tamén poden evaporarse…
Presión de vapor
O que se quere dicir aquí con vapor é vapor de auga. Observa a imaxe. Un recipiente pechado cheo de auga (supoñendo que se retirou o aire do recipiente). Segundo a teoría cinética, as moléculas de auga están sempre en movemento. Cando se moven, as moléculas de auga teñen velocidade e enerxía cinética. As moléculas de auga que teñen unha velocidade e unha enerxía cinética suficientes poden escapar das forzas atractivas entre as moléculas de auga e converterse en vapor... O mesmo proceso ocorre coas moléculas de auga do recipiente que está ao lado. A medida que pasa o tempo, cada vez máis moléculas de auga convértense en vapor. Debido a que o recipiente está pechado, as moléculas de auga que se converteron en vapor non poden escapar á atmosfera (as moléculas quedan atrapadas no recipiente). O número de moléculas de auga que se converten en vapor é o suficientemente grande como para que exista a posibilidade de colisións entre as moléculas e as paredes do recipiente.
Algunhas das moléculas que chocan contra as paredes do recipiente reflectiranse de volta á superficie da auga e combínanse para formar auga. Este proceso repítese continuamente. Co paso do tempo, máis e máis moléculas de auga convértense en vapor (pasan de líquido a vapor). Ao mesmo tempo, algunhas das moléculas que chocan contra as paredes do recipiente volven converterse en auga (pasan de vapor a líquido). Se o número de moléculas que cambian de líquido a vapor é igual ao número de moléculas que cambian de vapor a líquido, entón producirase o equilibrio. Cando se produce o equilibrio, dise que a parte superior do recipiente que contén vapor está saturada... A presión de vapor na rexión saturada coñécese como presión de vapor saturada.
O cambio de líquido a vapor chámase evaporación. O cambio de vapor a líquido chámase condensación. Ten en conta que a presión de vapor saturado depende só da temperatura e non do volume. A medida que aumenta a temperatura da auga, aumenta a enerxía cinética das moléculas de auga.
A enerxía cinética das moléculas de auga aumenta, polo que a velocidade das moléculas de auga debe aumentar. Deste xeito, cada vez máis moléculas con alta velocidade converteranse en vapor (cambiarán de estado de líquido a vapor). Debido a que o volume do recipiente é fixo, a presión de vapor só depende do número de moléculas (N) e da velocidade (v).
Cantas máis moléculas (canto maior sexa o N) se convertan en vapor e canto maior sexa a velocidade destas moléculas (canto maior sexa o v), máis aumentará a presión de vapor. Polo tanto, o equilibrio producirase a unha presión de vapor máis alta. En consecuencia, a presión de vapor saturado tamén aumentará. A presión de vapor saturado só existe cando se alcanza o equilibrio. A continuación móstrase o cambio na presión de vapor saturado da auga coa temperatura.
A presión de vapor depende do volume, pero a presión de vapor saturado non. Se o volume dun recipiente aumenta ou diminúe, acabarase por alcanzar o equilibrio. A ilustración anterior serve simplemente para guiarche na comprensión da presión de vapor saturado que se produce na atmosfera. A diferenza é que, na ilustración anterior, asumimos que non había aire na parte do recipiente que non contiña auga. Polo tanto, a parte do recipiente que non contiña auga estaba ocupada só por vapor de auga. Pola contra, a superficie da Terra sempre está chea de aire. As colisións entre as moléculas de vapor e outras moléculas de gas só prolongan o tempo que tarda o equilibrio en alcanzar o equilibrio. Non obstante, o equilibrio acabarase por alcanzar cando o número de moléculas de auga que se converten en vapor sexa igual ao número de moléculas de vapor que se converten en auga.
