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Aerosol de gotas de agua microscópicas suspen
Gotas de vapor de agua en una sartén.
ded en el aire sobre una taza de té caliente después de que el vapor de agua se haya enfriado y condensado lo suficiente . El vapor de agua es un gas invisible , pero las nubes de gotas condensadas se refractan y dispersan la luz del sol y, por lo tanto, son visibles.
Demostración de enfriamiento evaporativo. Cuando el sensor se sumerge en etanol y luego se saca para que se evapore, el instrumento muestra una temperatura progresivamente más baja a medida que el etanol se evapora.

La evaporación es un tipo de vaporización que ocurre en la superficie de un líquido cuando cambia a la fase gaseosa. [1] 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 cercana a la superficie absorbe suficiente energía para superar la presión de vapor , escapará y entrará en el aire circundante en forma de gas. [2] Cuando ocurre la evaporación, la energía removida del líquido vaporizado reducirá la temperatura del líquido, resultando en enfriamiento por evaporación. [3]

En promedio, solo una fracción de las moléculas de 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 que el aire circundante esté saturado.

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 la planta ) se denominan colectivamente evapotranspiración . La evaporación del agua ocurre cuando la superficie del líquido está expuesta, permitiendo que las moléculas escapen y formen vapor de agua; este vapor puede luego elevarse y formar nubes. Con suficiente energía, el líquido se convertirá en vapor.

Teoría

Para que las moléculas de un líquido se evaporen, deben ubicarse cerca de la superficie, deben moverse en la dirección adecuada y tener suficiente energía cinética para vencer las fuerzas intermoleculares de la fase líquida . [4] 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 denomina enfriamiento por evaporación . Esta es la razón por la que se evapora el sudorenfría el cuerpo humano. La evaporación también tiende a proceder más rápidamente con caudales más altos entre la fase gaseosa y líquida y en líquidos con mayor presión de vapor . Por ejemplo, la ropa en un tendedero se secará (por evaporación) más rápidamente en un día ventoso que en un día tranquilo. 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 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. [ cita requerida ]

Los líquidos que no se evaporan visiblemente a una temperatura determinada en un gas determinado (p. Ej., Aceite de cocina a temperatura ambiente ) tienen moléculas que no tienden a transferirse energía entre sí en un patrón suficiente para dar frecuentemente a una molécula la energía térmica necesaria para girar. 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

Presión de vapor de agua frente a temperatura. 760  Torr = 1  atm .

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 de retorno 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 , [4] 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 lo da la relación de Clausius-Clapeyron.:


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 alcanza la presión ambiente, el líquido hervirá .

La capacidad de una molécula de un líquido para evaporarse se basa en gran medida en la cantidad de energía cinética que puede 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 utilizado aquí es un ejemplo común; sin embargo, la fase de vapor puede ser de 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 aire
Esto está en parte relacionado con los puntos de concentración anteriores. Si aire "fresco" (es decir, aire que no está saturado con la sustancia ni con otras sustancias) se mueve sobre la sustancia todo el tiempo, es menos probable que la concentración de la sustancia en el aire aumente con el tiempo, por lo que fomentando una evaporación más rápida. Este es el resultado de que la capa límite en la superficie de evaporación disminuye con la velocidad del flujo, disminuyendo la distancia de difusión en la capa estancada.
La cantidad de minerales disueltos en el líquido.
Fuerzas intermoleculares
Cuanto más fuertes sean las fuerzas que mantienen unidas las moléculas en estado líquido, más energía se debe obtener para escapar. Este se caracteriza por la entalpía de vaporización .
Presión
La evaporación ocurre más rápido si hay menos esfuerzo en la superficie que impide que las moléculas se lancen.
Área de superficie
Una 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 sustancia
cuanto mayor sea la temperatura de la sustancia, mayor será la energía cinética de las moléculas en su superficie y, por 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 van desde menos de 30 a más de 120 pulgadas (3,000 mm) por año.

Termodinámica

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

Aplicaciones

  • Las aplicaciones industriales incluyen muchos procesos de impresión y recubrimiento ; recuperar sales de soluciones; y secar una variedad de materiales como madera, papel, telas 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 rotativos 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 de arcilla porosa de la India que se utiliza para almacenar y enfriar agua y otros líquidos.
  • El botijo , un recipiente de arcilla porosa tradicional español 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 se puede recibir por radiación de cualquier pared refractaria caliente de la cámara de combustión.

Vaporización previa a la combustión

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

Deposición de película

Pueden depositarse películas delgadas 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.

Ver también

  • Atmómetro (evaporación)
  • Punto de ebullición
  • Cryophorus
  • Cristalización
  • Desalinización
  • Destilación
  • El secado
  • Flujo de covarianza de remolinos (también conocido como correlación de remolinos, flujo de remolinos)
  • Evaporador
  • Evapotranspiración
  • Evaporación instantánea
  • Calor de vaporización
  • Ecuación de Hertz-Knudsen
  • Hidrología (agricultura)
  • Calor latente
  • Flujo de calor latente
  • Evaporación de la bandeja
  • Sublimación (transición de fase) (transferencia de fase de sólido directamente a gas)
  • Transpiración

Referencias

  1. ^ "la definición de evaporar" . Dictionary.com . Consultado el 23 de enero de 2018 .
  2. ^ Obra de referencia del nuevo estudiante (1914) . 1914. p. 636.
  3. ^ Lohner, Amigos de la ciencia, Svenja. "Ciencia del enfriamiento: enfriamiento evaporativo con líquidos" . Scientific American . Consultado el 23 de enero de 2018 .
  4. ↑ a b Silberberg, Martin A. (2006). Química (4ª ed.). Nueva York: McGraw-Hill. págs.  431 –434. ISBN 0-07-296439-1.

Otras lecturas

  • Sze, Simon Min (25 de septiembre de 2001). Dispositivos semiconductores: física y tecnología . ISBN 0-471-33372-7. Tiene una discusión especialmente detallada sobre la deposición de películas por evaporación.

enlaces externos

Medios relacionados con la evaporación en Wikimedia Commons