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 ser dispersas, pois a atração entre elas as mantém unidas. Em contrapartida, a atração entre as moléculas de gás é frágil, impedindo a fusão das moléculas. Ao se moverem, as moléculas de água possuem velocidade. Existem moléculas de água com alta velocidade e outras com baixa velocidade. A distribuição da velocidade das moléculas de água assemelha-se à distribuição de Maxwell.
A evaporação ocorre quando a velocidade das moléculas de água é suficientemente alta para que a atração entre elas não consiga mais mantê-las unidas. De forma semelhante aos foguetes espaciais, a velocidade de um foguete é tão grande que a força gravitacional da Terra não consegue impedi-lo de voar. Observe que apenas as moléculas com altas velocidades conseguem escapar da atração entre si. As moléculas com baixas velocidades permanecem unidas, como as moléculas de água.
As moléculas de água possuem massa e velocidade, o que lhes confere energia cinética (EK = 1/2 m v²). Moléculas de água em alta velocidade possuem maior energia cinética do que moléculas em baixa velocidade. Portanto, pode-se afirmar que as moléculas de água que conseguem escapar da atração entre si (moléculas de água que se transformam em vapor) possuem energia cinética considerável. 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 os resultados de pesquisas que mostram que a taxa de evaporação é tipicamente maior em altas temperaturas.
Quando secamos roupas molhadas ao sol, as roupas absorvem o calor emitido pelo sol. A energia solar 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). Depois que a velocidade ou energia cinética atinge um valor específico, as moléculas de água conseguem escapar da atração entre si e se transformam em vapor. Observe que a secagem de roupas molhadas não é afetada apenas pelo calor do sol. As roupas molhadas também podem secar devido ao calor adicional do ar quente ao redor delas (o calor se move por condução do ar para as roupas molhadas).
Em um dia quente, o solo aquece. A terra aquece o ar acima dela (neste caso, transferência de calor por condução). O ar quente se expande (a densidade diminui) e sobe. Ao passar por roupas molhadas, as moléculas de água colidem com as moléculas de água dentro do tecido. À medida que as moléculas de água se movem mais rapidamente, sua energia cinética aumenta. As moléculas de água que se movem rapidamente colidem com outras moléculas de água. Como são constantemente atingidas pelas moléculas de ar, as moléculas de água se movem ainda mais rápido (a energia cinética aumenta). Quando a velocidade ou a energia cinética atinge um valor específico, as moléculas de água em alta velocidade conseguem escapar da atração entre si e se transformam em vapor. A energia cinética das moléculas de água 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 da molécula, maior a sua velocidade. Ou, inversamente, quanto maior a velocidade da molécula, 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 energia cinética relativamente média. Graças à considerável energia cinética média das moléculas de água, muitas delas atingem altas velocidades. Com alta velocidade, as moléculas de água conseguem escapar da força de atração entre si e se transformar em vapor. Moléculas de água com baixa velocidade (moléculas com pouca energia cinética) não se transformam em vapor. Assim, quando as moléculas de água com alta velocidade se transformam em vapor, sua energia cinética média diminui. Quanto menor a energia cinética média, menor a temperatura da água. Com base nessa breve descrição, podemos afirmar que a evaporação é um processo de resfriamento.
O processo de resfriamento devido à evaporação está sempre presente no nosso dia a dia. Quando o ar está quente o suficiente, o corpo absorve muito calor. Para manter a temperatura corporal constante, o corpo geralmente libera calor através do suor. Como o suor recebe calor extra do sol e do ar ao redor, a energia cinética das moléculas de água aumenta. Consequentemente, com o aumento da energia cinética, a velocidade das moléculas de água também aumenta. As moléculas de suor se transformam em vapor. Quando o suor evapora, o corpo sente uma sensação de frescor.
Normalmente, depois de tomar banho, nosso corpo fica com uma sensação de frescor. Isso ocorre porque a água em contato com a superfície da pele passa por um processo de evaporação.
O processo de evaporação descrito anteriormente 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 figura. Um recipiente fechado cheio de água (suponha que o ar dentro 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. As moléculas de água que possuem alta velocidade e energia cinética conseguem escapar da força de atração entre si e se transformam em vapor.
O mesmo processo ocorre com as moléculas de água em um recipiente. Com o passar do tempo, cada vez 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). A quantidade de moléculas de água que se transformam em vapor é bastante grande, portanto, existe a possibilidade de colisões entre as moléculas e as paredes do recipiente.
Algumas moléculas que colidem com as paredes do recipiente serão refletidas em direção à superfície da água e se misturarão a ela. Esse processo se repete continuamente. Com o passar do tempo, mais e mais moléculas de água se transformam em vapor (passando do estado líquido para o gasoso). Ao mesmo tempo, algumas das moléculas que colidem com as paredes do recipiente se transformam novamente em água (passando 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, haverá um equilíbrio. Quando esse equilíbrio é atingido, diz-se que a parte superior do recipiente contendo o gás está saturada. A pressão de vapor na região saturada é conhecida como pressão de vapor saturado.
A mudança de estado físico de líquido para vapor é chamada de evaporação. Já a mudança de estado físico de vapor para líquido é chamada de condensação. Observe que a pressão de vapor saturado depende exclusivamente da temperatura e não do volume. Se 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. Assim, cada vez mais moléculas em alta velocidade se transformarão em vapor (passando do estado líquido para o vapor). Como o volume do recipiente é fixo, a pressão de vapor depende exclusivamente do número de moléculas (N) e da velocidade (v).
Quanto mais moléculas se transformam em vapor e quanto maior a velocidade das moléculas, maior será a pressão de vapor. Assim, o equilíbrio ocorrerá em pressões de vapor mais altas. Portanto, a pressão de vapor saturado também será maior. A pressão de vapor saturado só existe quando há equilíbrio.
A pressão de vapor depende do volume, mas a pressão de vapor saturado não depende do volume. Se o volume do recipiente aumentar ou diminuir, ocorrerá um equilíbrio. A ilustração acima serve apenas para ilustrar a pressão de vapor saturado que ocorre na atmosfera. A diferença é que, no exemplo anterior, assumimos que não há água na parte do recipiente que não contém água. Portanto, a parte do recipiente que não contém água é ocupada apenas por vapor de água. Por outro lado, a superfície da Terra está sempre preenchida com ar. A colisão entre as moléculas de vapor e outras moléculas de gás apenas prolonga o equilíbrio. No entanto, em algum momento, haverá um equilíbrio se o número de moléculas de água que se transformam em vapor for igual ao número de moléculas de vapor que se transformam em água.
