Evaporación

Para que las moléculas de un líquido se evaporen, deben estar situadas cerca de la superficie, moverse en la dirección adecuada y tener suficiente energía cinética para superar las fuerzas intermoleculares de la fase líquida.[2] Cuando sólo una pequeña proporción de las moléculas cumple estos criterios, la velocidad de evaporación es baja. Como la energía cinética de una molécula es proporcional a su temperatura, la evaporación es más rápida a temperaturas más altas. Al escapar las moléculas más rápidas, las moléculas restantes tienen una energía cinética media más baja y la temperatura del líquido disminuye. Este fenómeno también se denomina enfriamiento evaporativo. Esta es la razón por la que la evaporación del sudor enfría el cuerpo humano. La evaporación también tiende a proceder más rápidamente con mayores velocidades de flujo entre la fase gaseosa y líquida y en líquidos con mayor presión de vapor. Por ejemplo, la ropa tendida en un tendedero se secará (por evaporación) más rápidamente en un día ventoso que en un día tranquilo. Tres elementos clave en la evaporación son el calor, la presión atmosférica (determina el porcentaje de humedad) y el movimiento del aire.

A nivel molecular, no existe una frontera estricta entre el estado líquido y el estado de vapor. En su lugar, existe una capa de Knudsen, donde la fase es indeterminada. Debido a que esta capa tiene sólo unas pocas moléculas de espesor, a escala macroscópica no se puede véase una clara interfaz de transición de fase. [3]

Los líquidos que no se evaporan visiblemente a una temperatura dada en un gas dado (por ejemplo, el aceite de cocina a temperatura ambiente) tienen moléculas que no tienden a transferirse energía unas a otras en un patrón suficiente para dar frecuentemente a una molécula la energía calorífica necesaria para convertirse en vapor. Sin embargo, estos líquidos se evaporan. Lo que ocurre es que el proceso es mucho más lento y, por tanto, mucho menos visible.

El movimiento térmico de una molécula de líquido debe ser suficiente para vencer la tensión superficial y evaporar, esto es, su energía cinética debe exceder el trabajo de cohesión aplicado por la tensión superficial a la superficie del líquido. Por eso, la evaporación acontece más rápidamente a altas temperaturas, a altos caudales entre las fases líquida, vapor y en líquidos con bajas tensiones superficiales (esto es, con presión de vapor más elevadas).

Con solamente una proporción pequeña de moléculas localizada cerca de la superficie y moviéndose en la dirección correcta para escapar del líquido en un cierto instante, la tasa de evaporación es limitada.

Equilibrio evaporatorio

Presión del vapor de agua frente a la temperatura. (760 Torr = 1 atm).

Si la evaporación ocurre en un recipiente cerrado, las moléculas que escapan del líquido se acumulan en forma de vapor arriba del líquido. Muchas de esas moléculas regresan al estado líquido. Cuando el proceso de escape y regreso alcanza un equilibrio, el vapor es llamado saturado y no ocurren cambios adicionales en la presión de vapor o en la temperatura del líquido.

Déficit higrométrico

Los factores que condicionan la tasa de evaporación (generalmente se la expresa en mm/día o mm/mes) son, por un lado, los que caracterizan el estado de la atmósfera en la vecindad de la superficie evaporante y, por el otro, los factores que caracterizan la naturaleza y el estado de la superficie evaporante (agua libre, hielo, suelo desnudo, vegetación).

Como una forma de correlación entre la evaporación y otros factores meteorológicos que influyen en ambos medios (agua y aire), Dalton (1802) propone la siguiente formulación:

${\displaystyle E=K\left({p_{s}-p_{v}}\right)}$

Dalton (1802)
Símbolo	Nombre	Unidad
${\displaystyle E}$	Tasa de evaporación
${\displaystyle p_{s}}$	Presión de vapor saturado a la temperatura del agua
${\displaystyle p_{v}}$	Presión de vapor existente en el aire circundante
${\displaystyle ({p_{s}-p_{v}})}$	Déficit higrométrico

La presión de vapor (${\displaystyle p_{v}}$), y por ende la evaporación (${\displaystyle E}$), depende entonces tanto de la temperatura del agua como del aire.[4]

La evaporación puede medirse en forma directa desde pequeñas superficies de agua naturales o artificiales (tanques de evaporación) o a través de evaporímetros o lisímetros. Estos últimos poseen una superficie porosa embebida en agua y se ubican en condiciones tales que la medición es condicionada por las características meteorológicas de la atmósfera, tales como grado higrométrico, temperatura, insolación, viento, etc.

Las tasas de evaporación así observadas pueden generalmente ser consideradas como máximas y dan una buena aproximación del poder evaporante de la atmósfera. Aplicando a dichos valores máximos diversos coeficientes de reducción y comparando los resultados corregidos con los suministrados por las fórmulas de evaporación, se deducirán los valores más probables de las tasas de evaporación aplicables a la superficie de interés.

El más utilizado de los evaporímetros es el de tipo Piche. Está constituido por un tubo cilíndrico de vidrio de 25 cm de largo y 1.5 cm de diámetro. El tubo está graduado y cerrado en su parte superior, mientras que su abertura inferior está obturada por una hoja circular de papel filtro normalizado de 30 mm de diámetro y 0.5 mm de espesor, fijada por capilaridad y mantenida por un resorte. Llenado el aparato de agua destilada, ésta se evapora progresivamente a través de la hoja de papel filtro. La disminución del nivel del agua en el tubo permite calcular la tasa de evaporación (en mm por cada 24 h, por ejemplo). El proceso de evaporación está ligado esencialmente al déficit higrométrico del aire; sin embargo, el aparato no tiene tal vez en cuenta suficientemente la influencia de la insolación. Este aparato, en las estaciones hidrometeorológicas se instala bajo abrigo.

Los depósitos o tanques de evaporación utilizados en distintos países son de formas, dimensiones y características diferentes, pues los especialistas no están de acuerdo sobre el mejor tipo a emplear.

La razón entre la ganancia de calor de una superficie de agua por convección y la pérdida de calor debido a la evaporación, independiente de la velocidad del viento es dada por

${\displaystyle {\frac {Q_{c,\ pa}}{Q_{e}}}={\frac {0.46\ (T_{p}-T_{a})}{p_{wp}-p_{a}}}{\Bigl (}{\frac {p}{760}}{\Bigr )}}$

Bowen (1926)
Símbolo	Nombre	Unidad
${\displaystyle Q_{c,pa}}$	Ganancia de calor de una superficie de agua por convección	W / (m2 K)
${\displaystyle Q_{e}}$	Pérdida de calor de una superficie de agua por evaporación	W / (m2 K)
${\displaystyle T_{p}}$	Temperatura del agua	K o °C
${\displaystyle T_{a}}$	Temperatura del aire	K o °C
${\displaystyle p_{wp}}$	Presión de vapor saturado en la superficie del agua	mmHg
${\displaystyle p_{a}}$	Presión de vapor del aire	mmHg
${\displaystyle p}$	Presión barométrica	mmHg

La ecuación de Bowen fue modificada por Sartori (1987) que introdujo un parámetro que permite el cálculo de los tres casos de flujo de masa que pueden ocurrir cuando una superficie libre de agua es expuesta al aire, cuyas situaciones no pueden ser calculadas solamente con la ecuación de Bowen. Así, la ecuación de Bowen-Sartori queda:

${\displaystyle {\frac {Q_{c,\ pa}}{Q_{e}}}={0.46\ (T_{p}-T_{a}) \over p_{wp}-(rh)\ p_{a}}{\Bigl (}{\frac {p}{760}}{\Bigr )}}$

Sartori (1987)
Símbolo	Nombre	Unidad
${\displaystyle rh}$	Humedad relativa

Referencias:

• Sartori, E. "A mathematical model for predicting heat and mass transfer from a free water surface". Proc. ISES Solar World Congress, Germany (1987).
• Sartori, E. “Solar still versus solar evaporator: a comparative study between their thermal behaviors”. Solar Energy, 56/2 (1996).
• Sartori, E. "A critical review on equations employed for the calculation of the evaporation rate from a free water surface". Solar Energy, 68/1 (2000).
• Sartori, E. "Letter to the Editor", Solar Energy Journal, 73/6, 2003.
• Bureau of Plant Industry (BPI); Colorado Sunken Pan; 20 m² Tank; M.O. Tank (Symons Tank).

Mediante la evaporación del sudor se pierde el 22 % del calor corporal, ya que el agua tiene un elevado calor específico, y para evaporarse necesita absorber calor, y lo toma del cuerpo, el cual se enfría. Una corriente de aire que reemplace el aire húmedo por el aire seco, aumenta la evaporación.

Para que se evapore 1 g de sudor de la superficie de la piel se requieren aproximadamente 0,58 kcal las cuales se obtienen del tejido cutáneo, con lo que la piel se enfría y consecuentemente el organismo.

La evaporación de agua en el organismo se produce por los siguientes mecanismos:

Evaporación insensible o perspiración: se realiza en todo momento y a través de los poros de la piel, siempre que la humedad del aire sea inferior al 100 %. También se pierde agua a través de las vías respiratorias.

Evaporación superficial: formación del sudor por parte de las glándulas sudoríparas, que están distribuidas por todo el cuerpo, pero especialmente en la frente, palmas de manos, pies, axilas y pubis.

Vista como una operación unitaria, la evaporación es utilizada para eliminar el vapor formado por ebullición de una solución o suspensión líquida para así obtener una solución concentrada. Se puede hacer por calentamiento o a presión reducida.[5] En la gran mayoría de los casos, la evaporación vista como operación unitaria se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa.[6]

La evaporación en vacío es usada en la industria alimentaria para la conservación de alimentos, y en otras industrias, para el recubrimiento de diversos materiales.

• Vaporización
• Evapotranspiración
• Destilación flash
• Estado de agregación de la materia