3.2: Condensación y Evaporación

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¿Qué es la presión de vapor? Debido a la Ley de Gas Ideal (Ecuación 2.1), podemos pensar que la presión de vapor e (unidades SI = hPa o Pa) está relacionada con la concentración de moléculas de vapor de agua en la atmósfera,

\[e V=N R^{*} T \]

\[\quad e=n R^{*} T\]

donde n es el número de moles por unidad de volumen (n = N/V).

¿Qué hace que el agua líquida sea diferente del hielo o el vapor de agua? En realidad son los enlaces débiles entre las moléculas de agua los que se llaman enlaces de hidrógeno. Estos enlaces son 20 veces más débiles que los enlaces entre hidrógeno y oxígeno en la misma molécula y pueden romperse por colisiones con otras moléculas si están viajando lo suficientemente rápido y tienen suficiente energía cinética para romper los enlaces. Entonces, las diferencias entre vapor, líquido y hielo están relacionadas con el número de enlaces de hidrógeno. En el vapor, esencialmente no hay enlaces de hidrógeno entre las moléculas. En el hielo, cada molécula de agua está unida por hidrógeno a otras cuatro moléculas de agua. Y en líquido, solo se hacen algunos de esos enlaces de hidrógeno y cambian constantemente a medida que las moléculas de agua y los grupos de moléculas de agua chocan y se deslizan entre sí.

2019-08-13 7.09.02.png — El vapor de agua se condensó en gotas líquidas sobre una telaraña durante la noche. A medida que sale el sol y el aire se calienta, habrá evaporación neta y las cuentas se encogerán y desaparecerán durante el día. Crédito: devra vía flickr

Piense en una superficie de agua líquida a escala molecular. Lo que sucede todo el tiempo es que algunas moléculas de agua en fase gaseosa están golpeando la superficie y pegando (es decir, haciendo enlaces de hidrógeno), mientras que al mismo tiempo otras moléculas de agua se están liberando de los enlaces de hidrógeno que las atan a otras moléculas en el líquido y se están convirtiendo en vapor de agua. La superficie de vapor de agua es como un Starbucks, pero aún más ocupada. Podemos calcular fácilmente el flujo de moléculas que están golpeando la superficie usando principios físicos simples, aunque es más difícil calcular el número que están dejando el líquido. Ambas están sucediendo todo el tiempo, aunque generalmente la cantidad de condensación y evaporación no son las mismas, por lo que generalmente tenemos evaporación neta o condensación neta.

En equilibrio, el flujo de moléculas que salen de la superficie equilibra exactamente el flujo de moléculas que están golpeando la superficie. Esta condición se llama equilibrio, o saturación. Podemos demostrar que:

\[\frac{\text { condensation }}{\text { evaporation }}=\frac{e}{e_{s}}=S \cong R H=\frac{w}{w_{s}}\]

Así, cuando S = 1, e = e _s, RH es aproximadamente 100%, y w es aproximadamente w _s. La condensación y la evaporación están en equilibrio. Estos dos procesos están ocurriendo todo el tiempo, pero a veces puede haber más evaporación que condensación, o más condensación que evaporación, o evaporación equivalente a condensación. Sin embargo, el agua siempre está tratando de entrar en equilibrio.

Entonces sabemos que la cantidad de agua en fase vapor determina la tasa de condensación y así e. Entonces, ¿qué determina e _s? Veremos a continuación que e _s depende de una sola variable: ¡temperatura!