Teoria Cinética
O processo de evaporação pode ser explicado pela teoria cinética. Assim como as moléculas de gás, as moléculas de água também se movem. A diferença é que as moléculas de água não podem se separar porque as forças de atração entre elas ainda conseguem mantê-las unidas. Em contraste, as forças de atração entre as moléculas de gás são muito fracas, portanto, as moléculas de gás não conseguem se manter unidas. Ao se moverem, as moléculas de água possuem velocidade. Algumas moléculas de água têm velocidades altas, enquanto outras têm velocidades baixas. A distribuição das velocidades das moléculas de água se assemelha à distribuição de Maxwell.
A evaporação ocorre quando a velocidade das moléculas de água é suficientemente alta para que a força de atração entre elas não consiga mais mantê-las unidas. De forma semelhante a um foguete que se desloca para o espaço, a velocidade do foguete é tão grande que a força gravitacional da Terra não consegue impedi-lo de permanecer no planeta. É importante notar que apenas as moléculas com alta velocidade conseguem escapar das forças de atração entre si. Moléculas com baixa velocidade ainda se combinam para formar água.
As moléculas de água possuem massa e velocidade, o que lhes confere energia cinética (EK = 1/2 mv² ) . Moléculas de água com alta velocidade possuem maior energia cinética do que moléculas com baixa velocidade. Portanto, pode-se dizer que as moléculas de água que conseguem escapar das forças de atração entre si (moléculas de água que se transformam em vapor) possuem uma energia cinética bastante elevada. Geralmente, a energia cinética das moléculas de água aumenta com o aumento da temperatura da água. Se a temperatura da água for suficientemente alta, a energia cinética das moléculas de água aumenta. Consequentemente, mais água se transformará em vapor. Isso está de acordo com resultados de pesquisas que mostram que a taxa de evaporação geralmente é maior em altas temperaturas.
Quando secamos roupas molhadas ao sol, as roupas absorvem o calor emitido pelo sol. Essa energia adicional faz com que a energia cinética das moléculas de água nas roupas aumente. Como a energia cinética aumenta, as moléculas de água se movem mais rapidamente (a velocidade das moléculas de água aumenta). Quando sua velocidade ou energia cinética atinge um certo valor, as moléculas de água conseguem escapar das forças de atração entre si e se transformam em vapor. É importante notar que a secagem de roupas molhadas não é influenciada apenas pelo calor adicional do sol. As roupas molhadas também podem secar devido ao calor adicional do ar quente ao redor delas (transferência de calor por condução do ar para as roupas molhadas).
Em um dia quente, o solo ou o chão aquece mais rapidamente. O solo aquece rapidamente porque seu calor específico é bastante elevado. O solo aquece o ar acima dele (neste caso, a transferência de calor ocorre por condução). O ar quente se expande (sua densidade diminui) e se move para cima. Ao passar sobre roupas molhadas, as moléculas de ar colidem com as moléculas de água presentes nas roupas. As moléculas de água se movem mais rapidamente. Como se movem mais rapidamente, a energia cinética das moléculas de água aumenta. As moléculas de água em movimento rápido colidem com outras moléculas de água. Como são constantemente atingidas por moléculas de ar, as moléculas de água se movem ainda mais rapidamente (sua energia cinética aumenta).
Quando sua velocidade ou energia cinética atinge um determinado valor, as moléculas de água em movimento rápido podem escapar da atração entre si e se transformar em vapor. A energia cinética das moléculas de água, ou de ar, está intimamente relacionada à temperatura. Se a energia cinética das moléculas de água for alta, a temperatura da água também será alta. Ou vice-versa: quando a temperatura da água é alta, a energia cinética das moléculas de água também será alta. A energia cinética também está relacionada à velocidade. Quanto maior a energia cinética das moléculas, maior a sua velocidade. Ou, inversamente, quanto maior a velocidade das moléculas, maior a sua energia cinética.
E quanto à água quente? A água quente tem uma temperatura elevada. Devido à alta temperatura, as moléculas de água possuem uma grande energia cinética média. Como a energia cinética média das moléculas de água é alta, muitas moléculas se movem rapidamente. Moléculas de água com alta velocidade conseguem escapar das forças de atração entre si e se transformar em vapor. Somente as moléculas de água com alta velocidade (moléculas com grande energia cinética) se transformam em vapor, enquanto as moléculas com baixa velocidade (moléculas com pequena energia cinética) não se transformam em vapor. Assim, quando as moléculas de água com alta velocidade se transformam em vapor, a energia cinética média das moléculas de água restantes diminui. Quanto menor a energia cinética média, menor a temperatura da água (a água fica mais fria). Com base nessa breve descrição, podemos dizer que a evaporação é um processo de resfriamento.
O processo de resfriamento causado pela evaporação é comum no dia a dia. Quando o ar está muito quente, o corpo absorve bastante calor. Para manter a temperatura corporal constante, o corpo normalmente libera calor através do suor. Como o suor recebe calor adicional do sol e do ar ao redor, a energia cinética das moléculas de suor aumenta. Com o aumento da energia cinética, a velocidade das moléculas de suor também aumenta. As moléculas de suor se transformam em vapor. Quando o suor evapora, o corpo sente uma sensação de frescor. Aqui está outro exemplo... Geralmente, depois do banho, sentimos o corpo fresco. Isso acontece porque a água que permanece na superfície da pele evapora.
O processo de evaporação descrito acima ocorre todos os dias. A água do mar, a água dos lagos e a água dos rios também podem evaporar…
Pressão de vapor
O termo "vapor" aqui se refere ao vapor de água. Observe a imagem. Um recipiente fechado cheio de água (suponha que o ar do recipiente tenha sido removido). De acordo com a teoria cinética, as moléculas de água estão sempre em movimento. Ao se moverem, as moléculas de água possuem velocidade e energia cinética. Moléculas de água com velocidade e energia cinética suficientes podem escapar das forças de atração entre si e se transformar em vapor... O mesmo processo ocorre com as moléculas de água no recipiente ao lado. Com o passar do tempo, mais e mais moléculas de água se transformam em vapor. Como o recipiente está fechado, as moléculas de água que se transformaram em vapor não podem escapar para a atmosfera (as moléculas ficam presas no recipiente). O número de moléculas de água que se transformam em vapor é grande o suficiente para que haja possibilidade de colisões entre as moléculas e as paredes do recipiente.
Algumas das moléculas que atingem as paredes do recipiente serão refletidas de volta para a superfície da água e se combinarão para formar água. Esse processo se repete continuamente. Com o passar do tempo, mais e mais moléculas de água se transformarão em vapor (passarão do estado líquido para o gasoso). Ao mesmo tempo, algumas das moléculas que atingiram as paredes do recipiente se transformarão novamente em água (passarão do estado gasoso para o líquido). Se o número de moléculas que passam do estado líquido para o gasoso for igual ao número de moléculas que passam do estado gasoso para o líquido, então o equilíbrio será atingido. Quando o equilíbrio é atingido, diz-se que a parte superior do recipiente contendo vapor está saturada. A pressão de vapor na região saturada é conhecida como pressão de vapor saturado.
A mudança do estado líquido para o estado gasoso é chamada de evaporação. A mudança do estado gasoso para o estado líquido é chamada de condensação. Observe que a pressão de vapor saturado depende apenas da temperatura e não do volume. À medida que a temperatura da água aumenta, a energia cinética das moléculas de água também aumenta.
A energia cinética das moléculas de água aumenta, de modo que a velocidade das moléculas de água também deve aumentar. Dessa forma, cada vez mais moléculas em alta velocidade se transformarão em vapor (mudarão de estado de líquido para vapor). Como o volume do recipiente é fixo, a pressão de vapor depende apenas do número de moléculas (N) e da velocidade (v).
Quanto maior o número de moléculas (N maior) que se convertem em vapor e quanto maior a velocidade dessas moléculas (v maior), maior será o aumento da pressão de vapor. Assim, o equilíbrio ocorrerá a uma pressão de vapor mais alta. Portanto, a pressão de vapor saturado também aumentará. A pressão de vapor saturado só existe quando o equilíbrio é atingido. A seguir, é mostrada a variação da pressão de vapor saturado da água com a temperatura.
A pressão de vapor depende do volume, mas a pressão de vapor saturado não. Se o volume de um recipiente aumenta ou diminui, o equilíbrio será eventualmente alcançado. A ilustração acima serve apenas para orientá-lo na compreensão da pressão de vapor saturado que ocorre na atmosfera. A diferença é que, na ilustração anterior, assumimos que não havia ar na parte do recipiente que não continha água. Portanto, a parte do recipiente que não continha água era ocupada apenas por vapor de água. Em contraste, a superfície da Terra está sempre preenchida com ar. As colisões entre moléculas de vapor e outras moléculas de gás apenas prolongam o tempo necessário para que o equilíbrio seja alcançado. No entanto, o equilíbrio será eventualmente atingido quando o número de moléculas de água que se transformam em vapor for igual ao número de moléculas de vapor que se transformam em água.
