Cum se poate evapora apa la temperatura camerei?

Gândiți-vă la temperatură ca la energia cinetică medie a moleculelor de apă. În timp ce o moleculă medie nu are suficientă energie pentru a rupe legăturile intermoleculare, o moleculă care nu este medie are.

Apa este un lichid deoarece atracția dipolară dintre moleculele polare de apă le face să se lipească între ele. La presiunea atmosferică standard (care acționează oarecum ca o menghină), este nevoie de o temperatură relativ mare de 100°C (ceea ce se traduce printr-o energie medie ridicată distribuită între gradele de libertate micsroscopice, mai ales cele cinetice) pentru ca moleculele de apă să se desprindă în vrac, creând bule de vapori de apă în interiorul lichidului.

Cu toate acestea, la suprafața lichidului, moleculele solitare pot ajunge să obțină suficientă energie cinetică pentru a se elibera datorită naturii aleatorii a mișcării moleculare la practic orice temperatură. Pe de altă parte, moleculele de apă din atmosferă pot intra în lichid și la suprafață, ceea ce se măsoară prin [presiunea de echilibru a vaporilor] (http://en.wikipedia.org/wiki/Vapor_pressure).

Imaginați-vă că învârtiți o ruletă, dar în loc să aruncați o bilă, aruncați 100. Toate se mișcă cu viteze diferite, precum moleculele din apă. Le puteți răci învârtind roata mai încet, astfel încât să ricoșeze mai puțin; le puteți încălzi învârtind-o mai repede, astfel încât să ricoșeze mai mult; le puteți îngheța oprind roata și așteptând până când toate sunt staționare; și le puteți fierbe învârtind roata atât de repede încât toate să zboare din vârf.

Acum adunați toate bilele și aruncați-le înapoi înăuntru cu roata învârtindu-se cu o viteză moderată. Dacă te uiți o vreme, vei vedea că, deși viteza medie a bilelor este sub "punctul de fierbere" în care toate zboară prin vârf, din când în când o bilă va ricoșa în alta cu suficientă forță pentru a o trimite în afara roții. Dacă vă uitați suficient de mult timp, în cele din urmă toate bilele vor dispărea. Bilele tale tocmai s-au evaporat.

Temperatura este o măsură a cantității de energie cinetică pe care o au moleculele unei substanțe. Dacă temperatura este ridicată, acestea se mișcă destul de repede, iar dacă temperatura este scăzută, ele se mișcă mult mai încet. Dacă moleculele se mișcă încet, ele se grupează și se obține un solid. Odată ce o încălziți puțin, substanța începe să devină lichidă. Când o încălzești și mai mult, moleculele vor începe să se miște atât de repede încât se vor împrăștia în tot spațiul (gaz).

Cu toate acestea, toate acestea sunt medii. Într-un lichid, toate moleculele se mișcă, unele mai repede decât altele. Dacă se întâmplă ca o moleculă să străpungă "suprafața" apei, aceasta va fi scăpat de forțele intermoleculare care țin apa laolaltă și se va evapora. Acest lucru se poate întâmpla și cu solidele, acolo se numește sublimare.

Dacă încălziți apa, adăugați energie, astfel încât acest proces va începe să se desfășoare mai repede. Apoi, la punctul de fierbere, vei ajunge la punctul în care moleculele vor dori să înceapă să se miște atât de repede încât vor începe să formeze bule de gaz în interiorul lichidului.

Disclaimer: asta este doar ceea ce îmi amintesc din liceu.

Temperatura de fierbere a unui lichid nu este nu temperatura la care acesta poate intra în stare gazoasă. Mai degrabă, este temperatura la care presiunea de saturație a vaporilor $e_s$ este egală cu presiunea atmosferică ambiantă. Acesta este motivul pentru care, de exemplu, apa fierbe la temperaturi mai scăzute la altitudini mai mari.

În plus, apa se evaporă întotdeauna. De asemenea, ea se condensează întotdeauna. Vă puteți imagina o cană cu lichid așezată într-o cameră. Rata de evaporare va fi determinată de presiunea de saturație a vaporilor $e_s$ calculată cu temperatura apei lichide. Rata de condensare va fi determinată de presiunea de vapori $e$ a vaporilor de apă din aer. În mod obișnuit, atunci când cineva spune că un lichid se evaporă (sau se condensează) se referă la evaporarea netă. Evaporarea netă este atunci când evaporarea depășește condensarea (lichidul scade), iar condensarea netă este atunci când condensarea depășește evaporarea (lichidul crește).

Veți auzi de obicei umiditatea exprimată ca "umiditate relativă", care este raportul dintre presiunea de vapori $e$ și presiunea de vapori de saturație $e_s$ și astfel, atunci când o umiditatea relativă $\dfrac{e}{e_s} < 1$, are loc o evaporare netă, iar când $\dfrac{e}{e_s} > 1$ are loc condensarea netă. În ambele cazuri însă, evaporarea are loc în mod constant.

La punctul de fierbere, gazul este produs în interiorul lichidului, dar la suprafață, moleculele intră și ies în mod constant. Dacă mediul este menținut destul de uscat, atunci puține molecule vor reveni înăuntru în raport cu cele care ies. Desigur, cu cât temperatura este mai ridicată, cu atât mai ușor va fi pentru o moleculă să obțină suficientă energie pentru a se elibera, dar acest lucru se poate întâmpla la orice temperatură - la suprafață.

Aceste răspunsuri țin cont de cinetica procesului. Termodinamica oferă o imagine alternativă, foarte potrivită pentru orice întrebare care implică tranziții de fază. Pentru sistemul de lichid plus volum gol, energia liberă poate fi redusă prin schimbarea unei părți din entalpie (pentru a duce moleculele din faza lichidă în faza gazoasă) cu creșterea entropiei (toate stările disponibile în faza gazoasă). Pentru o temperatură dată, acest echilibru determină presiunea de echilibru a vaporilor. Întotdeauna va exista o anumită cantitate de vapori în echilibru (la toate temperaturile care nu sunt egale cu zero).

De asemenea, poate fi înțeleasă prin ideea de presiune parțială. Apa se va evapora într-o atmosferă până când presiunea sa parțială va atinge presiunea de vapori dată pentru temperatura ambiantă (umiditate relativă de 100%).

Toate moleculele de apă conțin energie, în funcție de temperatură. Apa fierbinte are suficientă energie pentru a scăpa din lichid sub formă de vapori.

Chiar dacă o masă de apă se află sub punctul de fierbere, moleculele cu mai multă energie (în raport cu masa de apă), se ridică în partea superioară și pot scăpa sub formă de vapori.

Este ușor!

La ora de științe, profesorul meu a pus un balon cu apă pe masa de lucru, l-a acoperit cu o cupolă de sticlă cu o jantă de cauciuc pentru a etanșa cupolă de catedră. Apoi a conectat un furtun la cupolă, celălalt capăt la un dispozitiv de vid și a început să elimine aerul din cupolă, creând o zonă de presiune foarte scăzută în interiorul cupolei... pe măsură ce presiunea a scăzut, apa a început să fiarbă - la temperatura camerei. Acesta este motivul pentru care alpiniștii au dificultăți în a obține apă caldă la altitudini mai mari.