Evaporação - Evaporation

Aerossol de gotículas de água microscópicas suspensas no ar acima de uma xícara de chá quente após o vapor de água ter resfriado e condensado o suficiente. O vapor de água é um gás invisível, mas as nuvens de gotículas condensadas refratam e dispersam a luz do sol e, portanto, são visíveis.
Gotas de vapor d'água em uma panela.
Demonstração de resfriamento evaporativo. Quando o sensor é mergulhado em etanol e depois retirado para evaporar, o instrumento mostra uma temperatura progressivamente mais baixa conforme o etanol evapora.
Chuva evaporando após cair em uma estrada pavimentada quente

A evaporação é um tipo de vaporização que ocorre na superfície de um líquido à medida que ele passa para a fase gasosa. O gás circundante não deve estar saturado com a substância em evaporação. Quando as moléculas do líquido colidem, elas transferem energia umas para as outras com base em como colidem. Quando uma molécula próxima à superfície absorve energia suficiente para superar a pressão de vapor , ela escapará e entrará no ar circundante como um gás. Quando ocorre a evaporação, a energia removida do líquido vaporizado reduzirá a temperatura do líquido, resultando no resfriamento evaporativo.

Em média, apenas uma fração das moléculas em um líquido tem energia térmica suficiente para escapar do líquido. A evaporação continuará até que um equilíbrio seja alcançado quando a evaporação do líquido for igual à sua condensação. Em um ambiente fechado, um líquido irá evaporar até que o ar circundante esteja saturado.

A evaporação é uma parte essencial do ciclo da água . O sol (energia solar) impulsiona a evaporação da água dos oceanos, lagos, umidade do solo e outras fontes de água. Na hidrologia , a evaporação e a transpiração (que envolve a evaporação dentro dos estômatos das plantas ) são denominadas coletivamente evapotranspiração . A evaporação da água ocorre quando a superfície do líquido é exposta, permitindo que as moléculas escapem e formem vapor d'água; esse vapor pode então subir e formar nuvens. Com energia suficiente, o líquido se transformará em vapor.

Teoria

Para que as moléculas de um líquido evaporem, elas devem estar localizadas perto da superfície, devem estar se movendo na direção correta e ter energia cinética suficiente para superar as forças intermoleculares da fase líquida . Quando apenas uma pequena proporção das moléculas atende a esses critérios, a taxa de evaporação é baixa. Como a energia cinética de uma molécula é proporcional à sua temperatura, a evaporação ocorre mais rapidamente em temperaturas mais altas. À medida que as moléculas de movimento mais rápido escapam, as moléculas restantes têm energia cinética média mais baixa e a temperatura do líquido diminui. Este fenômeno também é denominado resfriamento evaporativo . É por isso que a evaporação do suor esfria o corpo humano. A evaporação também tende a ocorrer mais rapidamente com taxas de fluxo mais altas entre as fases gasosa e líquida e em líquidos com maior pressão de vapor . Por exemplo, a roupa em um varal vai secar (por evaporação) mais rapidamente em um dia de vento do que em um dia calmo. As três partes principais da evaporação são o calor, a pressão atmosférica (determina a porcentagem de umidade) e o movimento do ar.

Em um nível molecular, não existe uma fronteira rígida entre o estado líquido e o estado de vapor. Em vez disso, existe uma camada Knudsen , onde a fase é indeterminada. Como essa camada tem apenas algumas moléculas de espessura, em uma escala macroscópica uma interface de transição de fase clara não pode ser vista.

Líquidos que não evaporam visivelmente a uma determinada temperatura em um determinado gás (por exemplo, óleo de cozinha em temperatura ambiente ) têm moléculas que não tendem a transferir energia umas para as outras em um padrão suficiente para frequentemente dar a uma molécula a energia térmica necessária para girar em vapor. No entanto, esses líquidos estão evaporando. Acontece que o processo é muito mais lento e, portanto, significativamente menos visível.

Equilíbrio evaporativo

Pressão de vapor da água vs. temperatura. 760  Torr = 1  atm .

Se a evaporação ocorrer em uma área fechada, as moléculas que escapam se acumulam como um vapor acima do líquido. Muitas das moléculas retornam ao líquido, com as moléculas de retorno se tornando mais frequentes à medida que a densidade e a pressão do vapor aumentam. Quando o processo de escape e retorno atinge o equilíbrio , diz-se que o vapor está "saturado" e não ocorrerá mais nenhuma alteração na pressão e densidade do vapor ou na temperatura do líquido. Para um sistema que consiste em vapor e líquido de uma substância pura, este estado de equilíbrio está diretamente relacionado à pressão de vapor da substância, conforme dado pela relação Clausius-Clapeyron :


onde P 1 , P 2 são as pressões de vapor nas temperaturas T 1 , T 2 respectivamente, Δ H vap é a entalpia de vaporização e R é a constante universal do gás . A taxa de evaporação em um sistema aberto está relacionada à pressão de vapor encontrada em um sistema fechado. Se um líquido for aquecido, quando a pressão do vapor atingir a pressão ambiente, o líquido irá ferver .

A capacidade de uma molécula de um líquido evaporar é amplamente baseada na quantidade de energia cinética que uma partícula individual pode possuir. Mesmo em temperaturas mais baixas, as moléculas individuais de um líquido podem evaporar se tiverem mais do que a quantidade mínima de energia cinética necessária para a vaporização.

Fatores que influenciam a taxa de evaporação

Nota: o ar usado aqui é um exemplo comum; no entanto, a fase de vapor pode ser outros gases.

Concentração da substância evaporando no ar
Se o ar já possui uma alta concentração da substância evaporando, então a substância determinada irá evaporar mais lentamente.
Taxa de fluxo de ar
Isso está em parte relacionado aos pontos de concentração acima. Se o ar "fresco" (ou seja, o ar que ainda não está saturado com a substância nem com outras substâncias) está se movendo sobre a substância o tempo todo, então a concentração da substância no ar é menos provável de aumentar com o tempo, portanto encorajando uma evaporação mais rápida. Este é o resultado da camada limite na superfície de evaporação diminuindo com a velocidade do fluxo, diminuindo a distância de difusão na camada estagnada.
A quantidade de minerais dissolvidos no líquido
Forças intermoleculares
Quanto mais fortes forem as forças que mantêm as moléculas juntas no estado líquido, mais energia se deve obter para escapar. Este é caracterizado pela entalpia de vaporização .
Pressão
A evaporação acontece mais rápido se houver menos esforço na superfície, impedindo as moléculas de se lançarem.
Superfície
Uma substância com uma área de superfície maior evaporará mais rápido, pois há mais moléculas de superfície por unidade de volume que são potencialmente capazes de escapar.
Temperatura da substância
quanto mais alta a temperatura da substância, maior a energia cinética das moléculas em sua superfície e, portanto, mais rápida a taxa de sua evaporação.

Nos Estados Unidos, o Serviço Meteorológico Nacional mede a taxa real de evaporação de uma superfície de água aberta "pan" padronizada ao ar livre, em vários locais em todo o país. Outros fazem o mesmo em todo o mundo. Os dados dos EUA são coletados e compilados em um mapa de evaporação anual. As medidas variam de menos de 30 a mais de 120 polegadas (3.000 mm) por ano.

Termodinâmica

A evaporação é um processo endotérmico , em que o calor é absorvido durante a evaporação.

Formulários

  • As aplicações industriais incluem muitos processos de impressão e revestimento ; recuperação de sais de soluções; e secagem de uma variedade de materiais como madeira, papel, tecido e produtos químicos.
  • O uso de evaporação para secar ou concentrar amostras é uma etapa preparatória comum para muitas análises laboratoriais, como espectroscopia e cromatografia . Os sistemas usados ​​para este propósito incluem evaporadores rotativos e evaporadores centrífugos .
  • Quando as roupas são penduradas no varal, mesmo que a temperatura ambiente esteja abaixo do ponto de ebulição da água, a água evapora. Isso é acelerado por fatores como baixa umidade , calor (do sol) e vento. Em uma secadora de roupas , o ar quente é soprado pela roupa, permitindo que a água evapore muito rapidamente.
  • O Matki / Matka , um recipiente tradicional de argila porosa indiana usado para armazenar e resfriar água e outros líquidos.
  • O botijo , um recipiente tradicional de barro poroso espanhol projetado para resfriar a água contida por evaporação.
  • Resfriadores evaporativos , que podem resfriar significativamente um edifício simplesmente soprando ar seco sobre um filtro saturado de água.

Vaporização por combustão

As gotículas de combustível vaporizam à medida que recebem calor, misturando-se com os gases quentes na câmara de combustão. O calor (energia) também pode ser recebido por radiação de qualquer parede refratária quente da câmara de combustão.

Vaporização pré-combustão

Os motores de combustão interna dependem da vaporização do combustível nos cilindros para formar uma mistura combustível / ar a fim de queimar bem. A mistura quimicamente correta de ar / combustível para a queima total de gasolina foi determinada em 15 partes de ar para uma parte de gasolina ou 15/1 por peso. Mudar isso para uma proporção de volume produz 8.000 partes de ar para uma parte de gasolina ou 8.000 / 1 por volume.

Deposição de filme

Filmes finos podem ser depositados evaporando uma substância e condensando-a em um substrato, ou dissolvendo a substância em um solvente, espalhando a solução resultante sobre um substrato e evaporando o solvente. A equação de Hertz-Knudsen é freqüentemente usada para estimar a taxa de evaporação nesses casos.

Veja também

Transições de fase da matéria ( )
Para
A partir de
Sólido Líquido Gás Plasma
Sólido Derretendo Sublimação
Líquido Congelando Vaporização
Gás Deposição Condensação Ionizacao
Plasma Recombinação

Referências

Leitura adicional

  • Sze, Simon Min (25 de setembro de 2001). Dispositivos semicondutores: Física e Tecnologia . ISBN 0-471-33372-7. Apresenta uma discussão especialmente detalhada sobre a deposição de filme por evaporação.

links externos

Mídia relacionada à evaporação no Wikimedia Commons