Evaporación

La evaporación es un tipo de vaporización que ocurre en la superficie de un líquido cuando cambia a la fase gaseosa. El gas circundante no debe estar saturado con la sustancia que se evapora. Cuando las moléculas del líquido chocan, se transfieren energía entre sí en función de cómo chocan entre sí. Cuando una molécula cerca de la superficie absorbe suficiente energía para superar la presión de vapor, escapará y entrará al aire circundante como un gas. Cuando ocurre la evaporación, la energía eliminada del líquido vaporizado reducirá la temperatura del líquido, lo que dará como resultado un enfriamiento por evaporación.

En promedio, solo una fracción de las moléculas en un líquido tiene suficiente energía térmica para escapar del líquido. La evaporación continuará hasta que se alcance un equilibrio cuando la evaporación del líquido sea igual a su condensación. En un ambiente cerrado, un líquido se evaporará hasta saturar el aire circundante.

La evaporación es una parte esencial del ciclo del agua. El sol (energía solar) impulsa la evaporación del agua de los océanos, lagos, la humedad del suelo y otras fuentes de agua. En hidrología, la evaporación y la transpiración (que implica la evaporación dentro de los estomas de las plantas) se denominan colectivamente evapotranspiración. La evaporación del agua ocurre cuando la superficie del líquido queda expuesta, lo que permite que las moléculas escapen y formen vapor de agua; este vapor puede ascender y formar nubes. Con suficiente energía, el líquido se convertirá en vapor.

Teoría

Para que las moléculas de un líquido se evaporen, deben estar ubicadas cerca de la superficie, deben moverse en la dirección adecuada y tener suficiente energía cinética para vencer las fuerzas intermoleculares de la fase líquida.Cuando solo una pequeña proporción de las moléculas cumplen estos criterios, la tasa de evaporación es baja. Dado que la energía cinética de una molécula es proporcional a su temperatura, la evaporación se produce más rápidamente a temperaturas más altas. A medida que escapan las moléculas que se mueven más rápido, las moléculas restantes tienen una energía cinética promedio más baja y la temperatura del líquido disminuye. Este fenómeno también se llama enfriamiento por evaporación. Es por eso que la evaporación del sudor enfría el cuerpo humano. La evaporación también tiende a proceder más rápidamente con velocidades de flujo más altas entre la fase líquida y gaseosa y en líquidos con presión de vapor más alta. Por ejemplo, la ropa en un tendedero se secará (por evaporación) más rápidamente en un día ventoso que en un día tranquilo. Las tres partes clave de la evaporación son el calor, la presión atmosférica (determina el porcentaje de humedad) y el movimiento del aire.

A nivel molecular, no existe un límite estricto entre el estado líquido y el estado de vapor. En cambio, hay una capa de Knudsen, donde la fase es indeterminada. Debido a que esta capa tiene solo unas pocas moléculas de espesor, a escala macroscópica no se puede ver una interfaz de transición de fase clara.

Los líquidos que no se evaporan visiblemente a una temperatura dada en un gas dado (p. ej., aceite de cocina a temperatura ambiente) tienen moléculas que no tienden a transferir energía entre sí en un patrón suficiente para dar a una molécula la energía térmica necesaria para convertir en vapor. Sin embargo, estos líquidos se están evaporando. Es solo que el proceso es mucho más lento y, por lo tanto, significativamente menos visible.

Equilibrio evaporativo

Si la evaporación tiene lugar en un área cerrada, las moléculas que escapan se acumulan como vapor sobre el líquido. Muchas de las moléculas regresan al líquido, y las moléculas que regresan se vuelven más frecuentes a medida que aumenta la densidad y la presión del vapor. Cuando el proceso de escape y retorno alcanza un equilibrio, se dice que el vapor está "saturado" y no se producirán más cambios en la presión y densidad del vapor ni en la temperatura del líquido. Para un sistema que consta de vapor y líquido de una sustancia pura, este estado de equilibrio está directamente relacionado con la presión de vapor de la sustancia, como se indica en la relación de Clausius-Clapeyron:{displaystyle ln left({frac {P_{2}}{P_{1}}}right)=-{frac {Delta H_{rm {vap}}}{R}}left ({ fracción {1}{T_{2}}}-{ fracción {1}{T_{1}}}derecha)}

donde P ₁, P ₂ son las presiones de vapor a las temperaturas T ₁, T ₂ respectivamente, Δ H _vap es la entalpía de vaporización y R es la constante universal de los gases. La tasa de evaporación en un sistema abierto está relacionada con la presión de vapor que se encuentra en un sistema cerrado. Si se calienta un líquido, cuando la presión de vapor alcance la presión ambiental, el líquido hervirá.

La capacidad de evaporación de una molécula de un líquido se basa en gran medida en la cantidad de energía cinética que pueda poseer una partícula individual. Incluso a temperaturas más bajas, las moléculas individuales de un líquido pueden evaporarse si tienen más de la cantidad mínima de energía cinética requerida para la vaporización.

Factores que influyen en la tasa de evaporación

Nota: El aire que se usa aquí es un ejemplo común; sin embargo, la fase de vapor puede ser otros gases.Concentración de la sustancia que se evapora en el aire.Si el aire ya tiene una alta concentración de la sustancia que se evapora, entonces la sustancia dada se evaporará más lentamente.Caudal de aireEsto está en parte relacionado con los puntos de concentración anteriores. Si el aire "fresco" (es decir, aire que no está saturado con la sustancia ni con otras sustancias) se mueve sobre la sustancia todo el tiempo, entonces es menos probable que la concentración de la sustancia en el aire aumente con el tiempo, por lo tanto fomentando una evaporación más rápida. Este es el resultado de la disminución de la capa límite en la superficie de evaporación con la velocidad del flujo, disminuyendo la distancia de difusión en la capa estancada.La cantidad de minerales disueltos en el líquido.Fuerzas intermolecularesCuanto más fuertes sean las fuerzas que mantienen unidas las moléculas en estado líquido, más energía se debe obtener para escapar. Esto se caracteriza por la entalpía de vaporización.PresiónLa evaporación ocurre más rápido si hay menos esfuerzo en la superficie evitando que las moléculas se lancen.Área de superficieUna sustancia que tiene un área de superficie más grande se evaporará más rápido, ya que hay más moléculas de superficie por unidad de volumen que potencialmente pueden escapar.Temperatura de la sustanciacuanto mayor sea la temperatura de la sustancia, mayor será la energía cinética de las moléculas en su superficie y, por lo tanto, más rápida será la velocidad de su evaporación.

En los EE. UU., el Servicio Meteorológico Nacional mide la tasa real de evaporación de una superficie de agua abierta "bandeja" estandarizada al aire libre, en varios lugares de todo el país. Otros hacen lo mismo en todo el mundo. Los datos de EE. UU. se recopilan y compilan en un mapa de evaporación anual. Las medidas oscilan entre menos de 30 y más de 120 pulgadas (3000 mm) por año.

Debido a que normalmente tiene lugar en un entorno complejo, donde "la evaporación es un evento extremadamente raro", el mecanismo para la evaporación del agua no se comprende completamente. Los cálculos teóricos requieren simulaciones por computadora prohibitivamente largas y grandes. 'La tasa de evaporación del agua líquida es una de las principales incertidumbres en el modelado climático moderno.'

Termodinámica

La evaporación es un proceso endotérmico, en el que se absorbe calor durante la evaporación.

Aplicaciones

• Las aplicaciones industriales incluyen muchos procesos de impresión y recubrimiento; recuperación de sales de soluciones; y secado de una variedad de materiales como madera, papel, tela y productos químicos.
• El uso de la evaporación para secar o concentrar muestras es un paso preparatorio común para muchos análisis de laboratorio, como la espectroscopia y la cromatografía. Los sistemas utilizados para este propósito incluyen evaporadores rotatorios y evaporadores centrífugos.
• Cuando la ropa se cuelga en un tendedero, aunque la temperatura ambiente esté por debajo del punto de ebullición del agua, el agua se evapora. Esto se ve acelerado por factores como la baja humedad, el calor (del sol) y el viento. En una secadora de ropa, se sopla aire caliente a través de la ropa, lo que permite que el agua se evapore muy rápidamente.
• El Matki/Matka, un recipiente tradicional indio de arcilla porosa que se utiliza para almacenar y enfriar agua y otros líquidos.
• El botijo, un tradicional recipiente español de barro poroso diseñado para enfriar el agua contenida por evaporación.
• Enfriadores evaporativos, que pueden enfriar significativamente un edificio simplemente soplando aire seco sobre un filtro saturado con agua.

Vaporización por combustión

Las gotas de combustible se vaporizan a medida que reciben calor al mezclarse con los gases calientes en la cámara de combustión. El calor (energía) también puede recibirse por radiación de cualquier pared refractaria caliente de la cámara de combustión.

Vaporización previa a la combustión

Los motores de combustión interna se basan en la vaporización del combustible en los cilindros para formar una mezcla de aire y combustible para quemar bien. Se ha determinado que la mezcla aire/combustible químicamente correcta para la quema total de gasolina es 15 partes de aire por una parte de gasolina o 15/1 por peso. Cambiar esto a una relación de volumen produce 8000 partes de aire por una parte de gasolina o 8000/1 por volumen.

Deposición de película

Las películas delgadas se pueden depositar evaporando una sustancia y condensándola sobre un sustrato, o disolviendo la sustancia en un solvente, esparciendo la solución resultante sobre un sustrato y evaporando el solvente. La ecuación de Hertz-Knudsen se usa a menudo para estimar la tasa de evaporación en estos casos.