Teoria cinetica
Il processo di evaporazione può essere spiegato utilizzando la teoria cinetica. Come le molecole di gas, anche le molecole d'acqua si muovono. La differenza è che le molecole d'acqua non possono separarsi perché le forze di attrazione tra di esse sono ancora in grado di tenerle unite. Al contrario, le forze di attrazione tra le molecole di gas sono molto deboli, quindi le molecole di gas non possono aderire tra loro. Quando si muovono, le molecole d'acqua hanno una velocità. Alcune molecole d'acqua hanno velocità elevate, mentre altre hanno velocità basse. La distribuzione delle velocità delle molecole d'acqua assomiglia alla distribuzione di Maxwell.
L'evaporazione si verifica quando la velocità delle molecole d'acqua è sufficientemente elevata da impedire alla forza di attrazione tra di esse di tenerle unite. Analogamente a un razzo che si muove nello spazio, la sua velocità è tale che la forza di gravità terrestre non riesce a trattenerlo sulla Terra. È importante notare che solo le molecole che si muovono ad alta velocità sono in grado di sfuggire alle forze di attrazione tra le molecole. Le molecole che si muovono a bassa velocità continuano a combinarsi per formare acqua.
Le molecole d'acqua hanno massa e velocità, quindi le molecole d'acqua hanno energia cinetica (EK = 1/2 mv).2Le molecole d'acqua che si muovono ad alta velocità hanno un'energia cinetica maggiore rispetto a quelle che si muovono a bassa velocità. Pertanto, si può affermare che le molecole d'acqua che riescono a sfuggire alle forze di attrazione tra le molecole (le molecole d'acqua che si trasformano in vapore) possiedono un'energia cinetica piuttosto elevata. Solitamente, l'energia cinetica delle molecole d'acqua aumenta con l'aumentare della temperatura dell'acqua. Se la temperatura dell'acqua è sufficientemente alta, l'energia cinetica delle molecole d'acqua aumenta. Di conseguenza, una maggiore quantità d'acqua si trasformerà in vapore. Ciò è in accordo con i risultati delle ricerche che dimostrano come il tasso di evaporazione sia generalmente maggiore ad alte temperature.
Quando asciughiamo i vestiti bagnati al sole, questi assorbono il calore emesso dai raggi solari. L'energia aggiuntiva del sole fa aumentare l'energia cinetica delle molecole d'acqua presenti nei vestiti. Poiché l'energia cinetica aumenta, le molecole d'acqua si muovono più velocemente (la loro velocità aumenta). Una volta che la loro velocità o energia cinetica raggiunge un certo valore, le molecole d'acqua possono liberarsi dalle forze di attrazione tra di loro e trasformarsi in vapore. È importante notare che l'asciugatura dei vestiti bagnati non è influenzata solo dal calore aggiuntivo del sole. I vestiti bagnati possono asciugarsi anche grazie al calore aggiuntivo dell'aria calda circostante (trasferimento di calore per conduzione dall'aria ai vestiti bagnati).
Nelle giornate calde, il terreno o il pavimento si riscaldano più rapidamente. Il terreno si riscalda velocemente perché il suo calore specifico è piuttosto elevato. Il terreno riscalda l'aria sovrastante (in questo caso, il trasferimento di calore avviene per conduzione). L'aria calda si espande (la sua densità diminuisce) e sale verso l'alto. Quando passa sopra gli indumenti bagnati, le molecole d'aria collidono con le molecole d'acqua presenti negli indumenti. Le molecole d'acqua si muovono più velocemente. Poiché si muovono più velocemente, l'energia cinetica delle molecole d'acqua aumenta. Le molecole d'acqua in rapido movimento collidono con altre molecole d'acqua. Poiché vengono continuamente urtate dalle molecole d'aria, le molecole d'acqua si muovono più velocemente (la loro energia cinetica aumenta).
Una volta che la loro velocità o energia cinetica raggiunge un certo valore, le molecole d'acqua in rapido movimento possono sfuggire all'attrazione tra le molecole e trasformarsi in vapore... L'energia cinetica delle molecole d'acqua o d'aria è strettamente correlata alla temperatura. Se l'energia cinetica delle molecole d'acqua è elevata, allora allo stesso tempo la temperatura dell'acqua è alta. O viceversa, quando la temperatura dell'acqua è alta, l'energia cinetica delle molecole d'acqua deve essere elevata. L'energia cinetica è anche correlata alla velocità. Maggiore è l'energia cinetica delle molecole, maggiore è la velocità delle molecole. O, al contrario, maggiore è la velocità delle molecole, maggiore è l'energia cinetica delle molecole.
E per quanto riguarda l'acqua calda? L'acqua calda ha una temperatura elevata. Poiché la temperatura dell'acqua è alta, le molecole d'acqua in essa contenute possiedono un'elevata energia cinetica media. Dato che l'energia cinetica media delle molecole d'acqua è elevata, molte molecole d'acqua si muovono ad alta velocità. Le molecole d'acqua ad alta velocità possono sfuggire alle forze di attrazione tra le molecole e trasformarsi in vapore. Solo le molecole d'acqua ad alta velocità (molecole d'acqua con elevata energia cinetica) si trasformano in vapore, mentre le molecole d'acqua a bassa velocità (molecole d'acqua con bassa energia cinetica) non si trasformano in vapore. Pertanto, quando le molecole d'acqua ad alta velocità si trasformano in vapore, l'energia cinetica media delle molecole d'acqua che rimangono unite diminuisce. Minore è l'energia cinetica media, minore è la temperatura dell'acqua (l'acqua si raffredda). Sulla base di questa breve descrizione, si può affermare che l'evaporazione è un processo di raffreddamento.
Il processo di raffreddamento causato dall'evaporazione è un fenomeno comune nella vita di tutti i giorni. Quando l'aria è molto calda, il corpo assorbe molto calore. Per mantenere una temperatura corporea costante, il corpo solitamente rilascia calore attraverso il sudore. Poiché il sudore riceve ulteriore calore dal sole e dall'aria circostante, l'energia cinetica delle molecole di sudore aumenta. Di conseguenza, aumenta anche la velocità delle molecole di sudore, che si trasformano in vapore. Quando il sudore evapora, il corpo si rinfresca. Ecco un altro esempio... Di solito, dopo una doccia, il nostro corpo si rinfresca. Questo accade perché l'acqua che aderisce alla superficie della pelle evapora.
Il processo di evaporazione descritto sopra avviene ogni giorno. Anche l'acqua di mare, l'acqua di lago e l'acqua di fiume possono evaporare...
pressione di vapore
Qui per vapore si intende il vapore acqueo. Osservate l'immagine. Un contenitore chiuso pieno d'acqua (supponendo che l'aria al suo interno sia stata rimossa). Secondo la teoria cinetica, le molecole d'acqua sono sempre in movimento. Quando si muovono, le molecole d'acqua possiedono velocità ed energia cinetica. Le molecole d'acqua che hanno velocità ed energia cinetica sufficienti possono sfuggire alle forze di attrazione tra le molecole d'acqua e trasformarsi in vapore... Lo stesso processo avviene per le molecole d'acqua nel contenitore adiacente. Col passare del tempo, sempre più molecole d'acqua si trasformano in vapore. Poiché il contenitore è chiuso, le molecole d'acqua trasformate in vapore non possono fuoriuscire nell'atmosfera (le molecole sono intrappolate nel contenitore). Il numero di molecole d'acqua che si trasformano in vapore è sufficientemente elevato da creare la possibilità di collisioni tra le molecole e le pareti del contenitore.
Alcune delle molecole che colpiscono le pareti del contenitore vengono riflesse verso la superficie dell'acqua e si combinano per formare acqua. Questo processo si ripete continuamente. Col passare del tempo, sempre più molecole d'acqua si trasformano in vapore (passano dallo stato liquido a quello gassoso). Allo stesso tempo, alcune delle molecole che colpiscono le pareti del contenitore ritornano allo stato liquido (passano dallo stato gassoso a quello gassoso). Se il numero di molecole che passano dallo stato liquido a quello gassoso è uguale al numero di molecole che passano dallo stato gassoso a quello liquido, si raggiunge l'equilibrio. Quando si raggiunge l'equilibrio, si dice che la parte superiore del contenitore contenente vapore è satura. La pressione di vapore nella regione satura è nota come pressione di vapore saturo.
Il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso è chiamato evaporazione. Il passaggio dallo stato gassoso a quello liquido è chiamato condensazione. Si noti che la pressione di vapore saturo dipende solo dalla temperatura e non dal volume. All'aumentare della temperatura dell'acqua, aumenta anche l'energia cinetica delle molecole d'acqua.
L'energia cinetica delle molecole d'acqua aumenta, quindi anche la loro velocità deve aumentare. In questo modo, un numero sempre maggiore di molecole ad alta velocità si trasformerà in vapore (cambierà stato da liquido a vapore). Poiché il volume del contenitore è fisso, la pressione di vapore dipende solo dal numero di molecole (N) e dalla loro velocità (v).
Maggiore è il numero di molecole (maggiore è N) che si trasformano in vapore e maggiore è la velocità di queste molecole (maggiore è v), maggiore sarà l'aumento della pressione di vapore. Pertanto, l'equilibrio si raggiungerà a una pressione di vapore più elevata. Di conseguenza, anche la pressione di vapore saturo aumenterà. La pressione di vapore saturo esiste solo quando si raggiunge l'equilibrio. La figura seguente mostra la variazione della pressione di vapore saturo dell'acqua in funzione della temperatura.
La pressione di vapore dipende dal volume, ma la pressione di vapore saturo no. Se il volume di un contenitore aumenta o diminuisce, l'equilibrio verrà infine raggiunto. L'illustrazione sopra serve semplicemente a illustrare la pressione di vapore saturo che si verifica nell'atmosfera. La differenza è che, nell'illustrazione precedente, abbiamo ipotizzato che non ci fosse aria nella parte del contenitore che non conteneva acqua. Pertanto, la parte del contenitore che non conteneva acqua era occupata solo da vapore acqueo. Al contrario, la superficie terrestre è sempre piena d'aria. Le collisioni tra le molecole di vapore e le altre molecole di gas prolungano solo il tempo necessario per raggiungere l'equilibrio. Tuttavia, l'equilibrio verrà infine raggiunto quando il numero di molecole d'acqua che si trasformano in vapore è uguale al numero di molecole di vapore che si trasformano in acqua.
