Evaporazione, equilibrio liquido-vapore, tensione di vapore

L'evaporazione è il fenomeno per cui alcune particelle di liquido provviste di energia cinetica più elevata delle altre, e quindi dotate di maggiore velocità, raggiungono la superficie e, se hanno ancora energia sufficiente a vincere le forze attrattive esercitate su di esse dalle altre molecole, passano allo stato di vapore. Il fenomeno si verifica a tutte le temperature e in maniera tanto più considerevole quanto più la temperatura è elevata.

Se il liquido non è soggetto a riscaldamento l'evaporazione, sottraendo al liquido le particelle più ricche di energia, ne abbassa l'energia cinetica media e quindi il liquido si raffredda (per esempio, l'evaporazione del sudore emesso dal corpo umano quando fa caldo, assorbendo calore consente di mantenere costante la temperatura corporea).

Quando l'evaporazione avviene in un sistema aperto (per esempio, in un recipiente senza coperchio o in una pozzanghera) le particelle che evaporano si disperdono nell'atmosfera e il volume del liquido diminuisce gradualmente fino a scomparire. Le cose sono differenti in un sistema chiuso.

Equilibrio liquido-vapore e tensione di vapore

In un sistema chiuso (per esempio, un contenitore munito di coperchio) le particelle di vapore non possono diffondere, cosicché la pressione che esse esercitano sulle pareti del recipiente e sul liquido stesso aumenta, finché si stabilisce un equilibrio dinamico tra il numero di particelle che nell'unità di tempo passano allo stato di vapore e il numero di particelle di vapore che nell'unità di tempo collidono con la superficie del liquido, perdono energia e ritornano nel liquido (condensazione) a causa delle forze attrattive delle molecole del liquido. Questo stato del sistema è un equilibrio di fase di tipo fisico perché la composizione del vapore (numero di molecole per unità di volume) rimane costante; è inoltre un equilibrio dinamico (e perciò detto equilibrio mobile ) perché le molecole continuano a evaporare e a condensare, ma con uguale velocità. La pressione del vapore in equilibrio con il suo liquido (vapore saturo) è detta tensione di vapore e a ogni temperatura ha un valore definito e diverso da sostanza a sostanza.

Operando in un recipiente aperto, soggetto quindi alla pressione atmosferica, se riscaldiamo un liquido, aumenta man mano la sua tensione di vapore: quando il vapore uguaglia 760 mmHg il liquido bolle. L'ebollizione è il passaggio tumultuoso di un liquido a vapore che interessa tutta la massa del liquido. La temperatura alla quale ciò avviene è detta punto di ebollizione (nel caso dell'acqua esso è di 100 °C) ed è caratteristica per ogni liquido puro a una data pressione. All'ebollizione si formano all'interno del liquido bolle di vapore che salgono velocemente alla superficie dove si rompono. La somministrazione di calore a un liquido che si trovi al suo punto di ebollizione non si evidenzia in un ulteriore aumento della sua temperatura, ma fornisce al liquido l'energia necessaria per la sua trasformazione in vapore.

Il punto di ebollizione di un liquido varia al variare della pressione esterna presente alla superficie del liquido stesso (aumenta all'aumentare della pressione e diminuisce al diminuire di essa).

Nella tabella 9.1 sono riportati i punti di ebollizione dell'acqua a differenti valori della pressione atmosferica. Poiché la pressione atmosferica diminuisce con l'altitudine, in montagna i liquidi hanno punti di ebollizione inferiori rispetto al livello del mare: per esempio, a 3500 metri di altezza, l'acqua bolle a circa 92°C.

Si definisce calore latente di vaporizzazione l'energia richiesta per la trasformazione in vapore di una massa unitaria di liquido. La sua entità è uguale a quella liberata da una massa unitaria di vapore che si condensa allo stato liquido, detta calore latente di condensazione.