Evaporazione: tutto quello che c’è da sapere
L’evaporazione è un fenomeno di passaggio di stato da liquido a vapore che coinvolge solo la superficie del liquido, avviene a qualsiasi temperatura. Quando un coperchio mobile viene sollevato da un recipiente contenente liquido, una certa quantità di liquido sfugge spontaneamente e passa allo stato gassoso nello spazio tra la superficie del liquido e il coperchio.
Contemporaneamente, inizia un processo inverso in cui le particelle in fase gassosa ritornano allo stato liquido. Il processo si completa quando si raggiunge uno stato di equilibrio in cui la quantità di liquido che passa allo stato di vapore è uguale a quella di vapore che ritorna allo stato liquido. A questo punto, il sistema rimane in uno stato di equilibrio senza modifiche macroscopiche.
La concentrazione della sostanza in fase vapore, all’equilibrio, è costante e, assumendo un comportamento di gas ideale, la pressione può essere calcolata con la formula p = nRT/V = CRT. Questo implica che la pressione costante esercitata a temperatura costante dalla fase gassosa in equilibrio con la fase liquida è la tensione di vapore del liquido a quella temperatura.
La tensione di vapore di un liquido dipende solo dalla temperatura ed è una proprietà caratteristica per ogni sostanza. Aumenta con l’aumentare della temperatura, poiché aumenta l’energia cinetica delle molecole nella fase gassosa e la loro concentrazione.
Se il liquido è contenuto in un recipiente aperto, la concentrazione del gas diminuisce e quindi la velocità con cui esso ritorna nella fase liquida diminuisce. Tuttavia, la velocità di evaporazione rimane costante. In queste condizioni, tutto il liquido passa allo stato di vapore, e non si raggiunge l’equilibrio del sistema.
Il criterio termodinamico di equilibrio in una trasformazione che avviene a temperatura e a pressione costante è riassunto nell’uguaglianza TdS = dH. Mentre il criterio di spontaneità può essere scritto come dG = dH – TdS < 0, ovvero TdS > dH. In una trasformazione liquido → gas che avviene alla temperatura di ebollizione del liquido e alla pressione di 1 atm, ∆H°vap è un valore positivo e positivo risulta essere anche ∆S°vap. L’evaporazione di un liquido è, quindi un processo sfavorito da un punto di vista entalpico e favorito da un punto di vista entropico.
Un esempio che illustra quanto detto è costituito dall’ebollizione dell’acqua che bolle a 100°C. Ricavando il valore di ∆G°, si dimostra che a 100°C e a p= 1 atm la trasformazione di una qualunque quantità di H2Oliq in H2Ogas è un processo reversibile, cioè le due fasi sono in equilibrio. A una temperatura maggiore di 373 K si ha ∆G° < 0, quindi avviene la trasformazione irreversibile di H2Oliq in H2Ogas. A temperatura minore di 373 K si ha ∆G° > 0 e la trasformazione da liquido a gas non avviene.