¿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.

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“, donde hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂