Evaporazione

L'evaporazione è un passaggio di stato in cui una sostanza passa dallo stato liquido a quello gassoso, e che a differenza dell'ebollizione coinvolge esclusivamente la superficie del liquido. A differenza degli altri cambiamenti di fase, il processo di evaporazione non si manifesta a una temperatura specifica per ogni sostanza.

 

Un cambiamento di fase che ci è sicuramente molto familiare è l'evaporazione, ossia il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso. Si tratta del processo inverso della condensazione. In questa lezione descriveremo tale fenomeno spiegando nel dettaglio le differenze tra evaporazione, ebollizione e vaporizzazione e quali sono le cause fisiche, chimiche e microscopiche che lo causano.

 

Per concludere ci soffermeremo sulla relazione tra evaporazione, temperatura e calore conferito al liquido.

 
 
 

Evaporazione: passaggio di stato da liquido a gassoso

 

Nella lezione sui passaggi di stato abbiamo presentato l'evaporazione come il cambiamento di fase in cui le sostanze passano dallo stato liquido allo stato gassoso, o aeriforme, ma ciò non è del tutto corretto.

 

Più precisamente, l'evaporazione è un passaggio di stato che riguarda esclusivamente la superficie dei liquidi. Al contrario, il cambiamento di fase che permette all'intero volume di liquido di passare allo stato aeriforme è detto ebollizione, ed è caratterizzato da precisi valori di temperatura e di pressione tipici di ogni sostanza.

 

In termini generali diremo che evaporazione ed ebollizione rientrano nel più ampio fenomeno di vaporizzazione delle sostanze, il quale consente ai liquidi di passare allo stato gassoso partendo dall'evaporazione (superficie) fino a coinvolgere l'intero volume (ebollizione).

 

Cause microscopiche del processo di evaporazione

 

Per capire come funziona il processo di evaporazione bisogna come sempre scendere al livello microscopico e vedere in che modo si comportano le molecole di un liquido. Come sappiamo, nei liquidi le molecole sono poco legate tra loro, per cui sono libere muoversi continuamente e con una certa velocità all'interno del volume del liquido.

 

Se pensiamo all'acqua, le molecole che la compongono non stanno mai ferme e si muovono in continuazione in tutte le direzioni. A una data temperatura l'energia cinetica media dei costituenti del liquido avrà un determinato valore ma, trattandosi di energia media, alcune molecole avranno un'energia cinetica più alta e altre al contrario un'energia più bassa.

 

Se l'energia cinetica di una molecola che si trova sulla superficie libera del liquido raggiunge un determinato valore, allora essa ha la possibilità di rompere i deboli legami con le molecole contigue, che la costringono a restare nel liquido, liberandosi e allontanandosi da esso. Ricordiamo a tal proposito che l'energia cinetica è intimamente legata alla velocità, perciò se una molecola ha l'energia cinetica necessaria per rompere i legami intermolecolari, significa che ha la giusta velocità per svincolarsi dalla superficie del liquido. A livello molecolare si parla, nella fattispecie, di velocità di evaporazione.

 

A scanso di equivoci ribadiamo che le precedenti considerazioni si riferiscono a una molecola che si trova sulla superficie libera del liquido; in effetti bisogna sempre specificare che l'evaporazione coinvolge soltanto la superficie del liquido e dunque un fenomeno che riguarda l'intera massa. Un molecola che raggiunge il giusto valore di energia cinetica, ma che si trova al centro del volume occupato dal liquido, non ha possibilità di evaporare da quella posizione. Ecco perché la precedente precisazione è importante e non va tralasciata nella descrizione del fenomeno di evaporazione.

 

Occorre sottolineare inoltre che il moto delle molecole è del tutto casuale. Non c'è una precisa regola per cui una molecola del liquido, rispetto a un'altra, possa o meno acquisire l'energia cinetica sufficiente per evaporare. Il fenomeno è dunque regolato dalle leggi della statistica e si può parlare solo della probabilità che una certa molecola possa evaporare.

 

Temperatura nel processo di evaporazione

 

Come vedremo tra un istante, non esiste un esiste un preciso valore di temperatura di evaporazione per ogni sostanza. Ciò non significa che il processo di evaporazione sia indipendente dalla temperatura del liquido; significa piuttosto che il processo avviene in un intervallo di temperature e non per uno specifico valore di temperatura. Inoltre, bisogna tener conto anche della temperatura dell'ambiente circostante e in particolare del gas a contatto con la superficie del liquido.

 

1) A differenza di altri tipi di passaggi di stato, l'evaporazione non richiede il raggiungimento di una particolare temperatura del liquido affinché il processo venga innescato. L'evaporazione infatti avviene a qualsiasi temperatura del liquido compresa tra la temperatura di fusione e la temperatura di ebollizione; basti pensare all'acqua che evapora sia quando bolle a 100 °C, sia quando stendiamo i panni al sole in una giornata in cui ci sono 20 °C.

 

A questo proposito è importante non confondere la temperatura del liquido con quella dell'ambiente circostante.

 

2) All'aumentare della temperatura l'evaporazione aumenta di intensità. Come ben sappiamo il moto disordinato delle molecole è legato alla temperatura. In particolare a una più alta temperatura corrisponde una maggiore energia cinetica media delle molecole, e dunque una maggiore velocità. Alla luce di ciò, è chiaro che l'evaporazione di un liquido diventa tanto più evidente quanto più si innalza la temperatura del liquido.

 

Se si aumenta l'energia cinetica media delle molecole che costituiscono la superficie del liquido, si aumenta anche la probabilità che un alto numero di molecole possa raggiungere il valore di energia cinetica che consente loro di evaporare. Per questo motivo mettere un oggetto umido vicino ad una fonte di calore accelera il processo di evaporazione, così come è più evidente l'evaporazione dell’acqua portata a ebollizione piuttosto che l'evaporazione di un bicchiere d’acqua poggiato sul tavolo e lasciato a temperatura ambiente.

 

3) L'evaporazione è sempre un processo endotermico, ossia tale per cui il liquido assorbe calore dall'ambiente esterno. Un liquido infatti ha bisogno di energia per rompere i legami intermolecolari e permettere alle molecole di evaporare. Durante l'evaporazione poi il liquido si raffredda perché quelle che possono evaporare sono solo le molecole che hanno un valore di energia cinetica più alto della media. Se queste molecole abbandonano il liquido, l'energia cinetica media delle molecole diminuisce e di conseguenza si abbassa anche la temperatura.

 

Questo è il principio su cui si basa la sudorazione umana, un meccanismo naturale che permette al corpo di rinfrescarsi. L'acqua che si forma sulla pelle quando sudiamo evapora assorbendo calore dal corpo, abbassandone quindi la temperatura. Se poi abbiamo la fortuna di sudare di fronte a un ventilatore, il movimento dell'aria accelera il processo di raffreddamento portando via il vapore prodotto e aumentando l'effetto rinfrescante. Al contrario, la presenza di un alto tasso di umidità nell'aria rende più difficoltosa l'evaporazione del sudore: il corpo non riesce a rinfrescarsi e aumenta la percezione del calore.

 

4) Come per ogni cambiamento di fase (e per ogni fenomeno termodinamico) anche la pressione gioca un ruolo fondamentale nel processo di evaporazione. Poiché all'aumentare della pressione aumenta la temperatura di ebollizione, a diversi valori di pressione corrispondono diversi intervalli di temperatura in cui si manifesta il fenomeno di evaporazione.

 

A titolo di esempio può essere utile considerare il diagramma di fase dell'acqua, fissare diversi valori di pressione (rette orizzontali) per poi leggere i valori di temperatura orizzontalmente tra la curva di fusione e la curva di saturazione. Muovendosi da sinistra verso destra il fenomeno di evaporazione aumenta di intensità, fino al raggiungimento dell'ebollizione.

 

 

Evaporazione nel diagramma di fase

 

 

[Per consultare i diagrammi di fase di altre sostanze potete utilizzare il tool dell'omonimo link]

 

5) A costo di sembrare pedanti, ribadiamo che per come è definito il fenomeno non è possibile definire concetti quali temperatura di evaporazione, punto di evaporazione o curva di evaporazione. Tali nozioni vengono piuttosto introdotte in riferimento all'ebollizione. Di contro, è possibile calcolare la quantità di calore assorbita da un liquido in fase di evaporazione mediante la formula del calore latente, e si parla in questo frangente di calore latente di vaporizzazione (la quantità di calore necessaria affinché un chilogrammo di sostanza evapori completamente).

 

D'altra parte sappiamo che il calore latente dipende dalla pressione e dalla temperatura. Se fissiamo un determinato valore di pressione, poiché non esiste uno specifico valore di temperatura a cui avviene l'evaporazione, non è possibile fornire a priori una tabella di riferimento con i valori del calore latente di vaporizzazione.

 

Esempio di evaporazione

 

Tra gli esempi di evaporazione più semplici possiamo considerare l'evaporazione dell'acqua o dell'alcool. Consideriamo ad esempio una pentola contenente acqua. Sappiamo per esperienza comune che, in condizioni di pressione atmosferica (1 atm = 101325 Pa), la temperatura di ebollizione dell'acqua è pari a 100 °C e che quella di fusione è pari a 0 °C.

 

Immaginiamo di mantenere la pressione costante e di aumentare progressivamente la temperatura dell'acqua da 0 °C a 100 °C, conferendo ad essa calore finché non sia passata allo stato gassoso.

 

- [evaporazione] da 0 °C a 100 °C (escluso) l'acqua evapora. All'aumentare della temperatura aumenta l'intensità dell'evaporazione, e il calore necessario per innalzare la temperatura dell'acqua è regolato dalla formula del calore specifico, mentre il calore assorbito dall'acqua a causa dell'evaporazione è individuato dalla legge del calore latente.

 

- [ebollizione] a 100 °C l'acqua bolle. Il calore che le viene fornito serve per compiere il passaggio dell'intera massa d'acqua dallo stato liquido allo stato gassoso, e il calore richiesto per effettuare il cambiamento di fase è regolato dalla formula del calore latente.

 

- [vaporizzazione] Il processo complessivo in cui l'acqua è evaporata per poi passare allo stato aeriforme prende il nome di vaporizzazione.

 

 

 


 

 

Nella lezione successiva studieremo il fenomeno di ebollizione. Se siete in cerca di approfondimenti, lezioni o esercizi svolti vi raccomandiamo di usare la barra di ricerca interna: qui su YM ci sono migliaia di spunti e di esercizi risolti dallo staff. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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