¿Por qué el agua se evapora aunque no hierva?

Tras un mes de inactividad virtual absoluta, la primera fase del proyecto súpersecreto en el que estaba trabajando está terminada y vuelvo a tener tiempo para el blog (que ya tenía ganas).  Para retomar el ritmo perdido, responderé a una cuestión que me habéis planteado por e-mail (a jordipereyra@cienciadesofa.com) de dos maneras:

1) ¿Cómo se produce exactamente el vapor que forma las nubes, si el agua de los océanos y los lagos no está hirviendo?

2) ¿Por qué los charcos (o el suelo fregado) se secan, incluso aunque haga frío? 

Antes de empezar, cuelo una foto de unas nubes curiosas para que la cabecera de la entrada quede bonita en la página principal:

(Fuente)

Mira, no hace falta que te molestes en escribir la entrada. La respuesta a estas preguntas es obvia: el agua se evapora.

Bueno, ya, voz cursiva, pero los lectores que me han enviado la pregunta no quieren una respuesta tan genérica, sino saber qué mecanismo permite que el agua se evapore sin que haya alcanzado su temperatura de ebullición, así que empecemos por recordar qué es la temperatura.

Como ya he comentado otras veces, lo que interpretamos como la temperatura de una sustancia no es más que el reflejo de lo rápido que se mueven las moléculas que contiene. Es por eso que la temperatura mínima posible, los -273,15ºC, se corresponde con el estado en el que las moléculas que componen un objeto están completamente quietas. A partir de ese punto, cuanto más rápido se muevan las moléculas de una sustancia, mayor nos parecerá su temperatura.

Por otro lado, como también comenté cuando explicaba por qué la mayor parte del interior de la tierra no se encuentra en estado líquido, la magnitud del movimiento de las moléculas también determina si una sustancia se encontrará en forma de sólido, líquido o gas. Cuando un sólido se calienta lo suficiente, sus moléculas terminan vibrando tan rápido que la estructura rígida y ordenada en la que están organizadas se desmorona, las moléculas se desparraman por todos lados y su movimiento les impide volver a unirse. En ese momento, se dice que el sólido se ha convertido en un liquido.

Si seguimos subiendo el termostato, llegará un punto en el que las moléculas de la superficie del líquido se moverán tan deprisa como que saldrán disparadas a la atmósfera… Y eso es, básicamente, lo que ocurre cuando una sustancia se convierte en un gas.

Pero a esta explicación falta añadirle un matiz: la temperatura de un objeto no es sólo el resultado de la velocidad a la que se mueven sus moléculas, sino de su velocidad media. Y esto es muy importante, porque todas las moléculas que contiene una sustancia (en forma de líquido o de gas) se mueven a velocidades diferentes, siguiendo una distribución de este estilo:

(Fuente)

Que, básicamente, significa que la mayor parte de las moléculas que contiene un líquido se mueven a una velocidad similar, pero siempre existirá una fracción de ellas que se mueva lo suficientemente deprisa como para escapar del líquido o, lo que es lo mismo, que tienen la temperatura adecuada para evaporarse.

Y es por eso que los líquidos se evaporan aunque se encuentren por debajo de su punto de ebullición: aunque, en conjunto, parezca que el líquido no está lo suficientemente caliente como para convertirse en un gas, parte de sus moléculas están escapando a la atmósfera todo el rato porque su velocidad (temperatura) es mucho mayor que la de las demás.

Así que, nada, aquí t…

¡Espera, espera! Aquí hay algo que no me cuadra. Vale, un líquido “frío” contiene un número determinado de moléculas que tienen la temperatura necesaria como para evaporarse. Pero, entonces, ¿el proceso de evaporación no debería detenerse cuando todas ellas haya escapado a la atmósfera? ¿por qué sigue evaporándose el líquido cuando estas moléculas se han marchado? 

Muy buena pregunta, voz cursiva.

Aunque parte del material que lo compone se esté evaporando, el perfil de velocidad de las moléculas que componen un líquido se mantiene porque todas están chocando constantemente con sus vecinas direcciones distintas. Por ejemplo, algunas chocan de frente y pierden velocidad u otras que se mueven más despacio reciben el impulso de una molécula más rápida. Como resultado, incluso aunque todas las partículas que componen un sistema empezaran moviéndose exactamente a la misma velocidad, las interacciones entre ellas harían que tarde o temprano terminaran adoptando el perfil de velocidades que hemos visto en el gráfico anterior.

O sea, que mientras el agua se evapora y las moléculas más rápidas van abandonando el líquido, las colisiones entre las que quedan en su interior aceleran a otras moléculas hasta su misma velocidad que, a su vez, también terminan escapando. Este bucle se repite una y otra vez hasta que todas las moléculas han salido del líquido y, por tanto, la masa de agua se ha secado por completo.

Total, que el agua que da forma a las nubes sale del océano mediante este mismo mecanismo: en la superficie del agua hay moléculas más rápidas que salen continuamente a la atmósfera y se elevan en el aire. Pero esto no significa que los océanos se vayan a secar, por supuesto, porque toda el agua termina volviendo hasta ellos a través de las lluvias.

Aaaah amigo. Me queda una pregunta: ¿por qué una molécula de agua flota en el aire cuando sale a la atmósfera, pero no lo hace cuando está dentro del líquido? ¿Su densidad no debería ser la misma, independientemente de la forma en la que se encuentre?

Debes que tener en cuenta que, en estado líquido, hay muy poco espacio entre las moléculas de agua porque existe una fuerte atracción electrostática entre ellas. Como resultado, puedes meter muchas moléculas en un volumen determinado, lo que significa que contendrá una masa mayor y, por tanto, que su densidad será más alta. En cambio, las moléculas de un gas están muy separadas porque no hay ninguna fuerza que las una y, por tanto, las colisiones constantes entre ellas las mantienen alejadas. En este caso, un número menor de moléculas de gas caben en el mismo volumen, lo que se traduce en una densidad menor. Ese es el motivo por el que el vapor tiene una densidad menor que el agua líquida y puede flotar en el aire.

Y por eso las nubes flotan, ¿verdad?

Bueno, técnicamente las nubes no están compuestas por vapor de agua puro y duro, sino por diminutas gotas de agua que se condensan cuando el vapor se enfría. O sea, que el agua que forma las nubes se encuentra en estado líquido y su densidad es mayor que la del aire pero, en este caso, las gotas de agua (o cristales de hielo si la temperatura baja lo suficiente, como vimos aquí) permanecen en suspensión simplemente porque son tan pequeñas que son arrastradas por el movimiento del aire.

Y hasta aquí la entrada de hoy, así que os dejo con la publicidad que tanto habréis echado de menos durante este último mes.

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29 pensamientos en “¿Por qué el agua se evapora aunque no hierva?”

    1. Por el mismo principio que ha comentado en el blog. La corriente de aire al final son moleculas de gas (se suele usar nitrogeno o argon) que estan chocando contra las de liquido, transfiriendoles su energia. Esto provoca que esas moleculas de agua tengan la energía necesaria para que puedan salir a la atmosfera.

      1. En realidad es mas complejo que eso. No confundas el movimiento macroscópico (régimen laminar o turbulento) con el movimiento microscópico o molecular (temperatura)

        En el aire, que es un gas, puede haber vapor de agua, que es otro gas, y ambos forman una mezcla.
        Pero el agua se condensa en el aire, y forma gotitas, las nubes son agua líquida en suspensión, no vapor de agua, el vapor es un gas invisible.
        Cuando una molécula de agua se escapa del liquido al aire y se evapora, el aire contiene mas vapor que antes, hasta un punto en el que hay suficiente vapor como para que comience a condensarse el agua y formar gotitas. El equilibrio se alcanza cuando se condensa la misma cantidad de vapor como de liquido se evapora, y se conoce como presión de vapor.

        El aire que esta en contacto inmediato con el charco, (imaginemonos una película de aire muy fina, como si fuesen capas), una vez que se satura de agua, el mecanismo que tiene el proceso de “secado del charco” para continuar es la difusión del vapor. Los gases tienden a ocupar el mayor volumen posible y a mezclarse, “yendo” desde donde hay mayor concentración a donde hay menos.
        La difusión es proporcional a la diferencia de concentración, llamemosle gradiente. En un instante inicial la primera película de aire que rodea el charco, así como la segunda y la tercéra hasta a enésima no contienen agua, por lo que el gradiente es cero y no hay difusión. Pero en el momento en el que la primera molécula pasa a la primera película, aparece un gradiente entre la primera película y la segunda. Esto significa que la difusion puede ocurrir y que el agua pase de la primera capa a la segunda. Pero lo que ocurre es que si en la primera capa tengo 2 moléculas de agua y en la segunda tengo 0, en el momento en el que una pase a la segunda capa, el gradiente es cero porque hay la misma concentración de agua, y la difusion se detiene. Por eso a medida que la difusion se va extendiendo a mas capas tambien lo hace más lento, porque se van minimizando los gradientes y hay una tendencia a igualar concetracines.

        Sin embargo si hace viento, el aire se renueva más deprisa de lo que el agua que se escapa tardaria en llenarlo, por eso que no es necesario que el agua pase por n peliculas de aire para secarse, la primera película que esta en contacto directo se renueva constantemente y se lleva el agua que escapa sin tener que esperar a que esta pase a las siguientes.

  1. Porque su presión de vapor es inferior a la presión de vapor de saturación del vapor agua en la atmósfera circundante, que es la que se alcanza cuando, por cada molécula que escapa del líquido, otra molécula de vapor entra en él.

    Así, mientras la presión de vapor es inferior a la presión de vapor de saturación de la mezcla de gases en contacto con el líquido, el líquido se irá evaporando; cuando se da la situación contraria, el vapor se irá condensando.

  2. Explica también por qué la temperatura de un líquido baja con la evaporación. Simplemente porque al ser las moléculas de mayor temperatura las que logran “escapar” el promedio energético de las que quedan disminuye.

    1. Me respondo yo mismo después de haber leído un poco sobre el tema. El aceite sí se evapora pero mucho más lentamente debido a que la cohesión entre moléculas es mayor y les cuesta más acelerarse lo suficiente para poder escapar.

  3. Una pregunta más extraña aún y que no entiendo…

    Resulta que el agua se evapora a 100 grados a la altura del nivel del mar, pero si subo 3000 metros una montaña su temperatura de ebullición cambia. ¿ JODERRRR; NO LO ENTIENDO?

    1. Es porque la columna de aire que tiene encima (presión atmosférica) es menor. El pero de esa columna de aire es la que “chafa” y mantiene unidos a los líquidos. En el Himalaya, ese peso es mucho menor, y el agua hierve a 37ºC. Y en el espacio, “hierve” automáticamente, en cuando el agua saliera del recipiente. Nada mantendría unidas las moléculas.

    2. Porque como la presión que ejerce la atmósfera sobre el agua es mayor, al agua le cuesta mucho mas juntar la energia para separar sus moléculas lo suficiente como para flotar

    1. Yo diría que adquieren ese movimiento de la propia temperatura del agua. El líquido posee una temperatura que en la gráfica equivale a la temperatura media de las moléculas. No todas tienen la misma temperatura, es decir, la misma velocidad. Las que están por encima de cierto valor de velocidad son las que pueden escapar.
      Supongo que la diferencia de velocidad entre moléculas se debe a cómo chocan entren ellas, es posible que como resultado de la colisión una molécula se acelere y otra se frene.

  4. Parece mentira pero anoche al ir a dormir, tras estudiar Termódinámica y sistemas solares por ACS me vino esa duda.

    Muchas gracias por la didáctica explicación.

  5. Muy interesante. Me quedan un par de dudas relacionadas con esta cuestión. Una es: ¿cómo se produce la ebullición? A un nivel molecular, quiero decir. Y la otra es: ¿cómo se produce la lluvia? ¿Por condensación? Pero has dicho que el agua en una nube ya está en estado líquido. ¿Entonces? Muchas gracias!

  6. Ya se que es otro tema pero aprovecho que pasaba por aquí: a mi lo que se me hace dificil de comprender es que el vapor de agua permanezca en la atmosfera y no se pierda en el espacio ¿Alguna entrada sobre esto?
    Saludos.

    1. Yo creo que es porque el vapor de agua tiene masa y queda atrapado por la gravedad terrestre, al igual que la propia atmósfera. Es posible que algunas moléculas adquieran la velocidad suficiente para escapar de la gravedad terrestre, pero serán una parte mínima. No soy un experto en el tema, seguro que el autor puede dar mejor respuesta a tu pregunta.

  7. Muy buen artículo.
    Sin embargo, yo tenía entendido que el fenómeno se debe a otra explicación: entre el agual líquida y el aire existe una interfase que tiene una diferencia de concentración (en el agua la densidad es mayor que en el aire) y, de forma similar a cuando una diferencia de temperatura entre dos objetos que se tocan provoca un gradiente y una correspondiente transferencia para igualar la temperatura de los dos objetos, la diferencia de concentración provoca un gradiente y la transferencia de moléculas del agua al aire para igualar la concentración a ambos lados de la interfase.
    ¿Es esta explicación también correcta? O el fenómeno solo puede explicarse mediante la explicación que has dado en el artículo.
    Muchas gracias.

  8. Mi duda es la misma que ha hecho ostra persona mas arriba, ¿De donde sale la energia que hace que las moléculas de agua aumenten constantemente su velocidad? Con la explicación entiendo que las moléculas de agua aumentan constantemente su veolcidad hasta que su temperatura llega a los 100º, por eso se evapora completamente un charco. ¿De donde sale esa energía?. Diría que la respuesta es del sol, pero no tendría ni idea de justificarla.

  9. Ya que estamos me gustaría a mi plantear una duda para complementar la explicación.

    ¿Cómo se relaciona esta explicación con la humedad y la disolución aire-agua? ¿Qué el agua se pueda disolver en el aire consecuencia de esta evaporación de las moléculas rápidas?

    Gracias.

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