Evaporação

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A evaporação é um fenômeno no qual átomos ou moléculas no estado líquido (ou sólido, se a substância sublima) ganham energia suficiente para passar ao estado vapor.

O movimento térmico de uma molécula de líquido deve ser suficiente para vencer a tensão superficial e evaporar, isto é, sua energia cinética deve exceder o trabalho de coesão aplicado pela tensão superficial à superfície do líquido. Por isso, a evaporação acontece mais rapidamente a altas temperaturas, a altas vazões entre as fases líquida e vapor e em líquidos com baixas tensões superficiais (isto é, com pressões de vapor mais elevadas).

Como apenas uma proporção pequena de moléculas está localizada perto da superfície e movendo-se na direção correta para escapar do líquido em um certo instante, a taxa de evaporação é limitada. Além disso, como as moléculas de maior energia escapam e as que ficam têm menor energia cinética média, a temperatura do líquido diminui. Este fenômeno também é chamado de resfriamento evaporativo. Um exemplo para tal fenômeno é a transpiração (suor).

Índice

1 Equilíbrio evaporativo
2 Evaporação da água
3 Fatores que afetam a taxa de evaporação
4 Aplicações da evaporação
- 4.1 Evaporação forçada
- 4.2 Deposição de filmes
5 Ligações externas

[editar] Equilíbrio evaporativo

Se a evaporação ocorrer em um recipiente fechado, as moléculas que escapam do líquido acumulam-se na forma de vapor acima do líquido. Muitas dessas moléculas, aliás, retornam ao líquido. Quando o processo de escape e retorno alcança um equilíbrio, o vapor é chamado de saturado, e não ocorrem mudanças adicionais na pressão de vapor ou na temperatura do líquido.

[editar] Evaporação da água

É um erro dizer que somente existe vapor d'água a 100 °C a 1 atm. As moléculas de água estão em um estado constante de evaporação e condensação perto da superfície da água líquida. Se uma molécula na superfície da água recebe energia suficiente, ela deixará o líquido, com formação de vapor a uma certa pressão. A uma pressão de vapor de 1 atm, a água acaba fervendo, e isto ocorre a 100 °C.

A razão entre a perda de calor de uma superfície de água por evaporação e a perda de calor devido à convecção, independente da velocidade do vento, é dada por:

${Q_{c,pa} \over Q_e} = {0.46(T_p -T_a) \over P_{wp} - P_a}{p \over 760}$

onde $Q c, p a$ é a perda de calor de uma superfície de água por convecção em W/(m²•K), $Q e$ é a perda de calor de uma superfície de água por evaporação em W/(m²•K), $T p$ e $T a$ são as temperaturas da água e do ar em Kelvin (ou Celsius) e $P w p$ e $P a$ são as pressões do vapor da superfície da água e do ar e $p$ é a pressão barométrica, com todas pressões em mmHg (Bowen, 1926).

A equação de Bowen foi modificada por Sartori (1987) que incluiu um parâmetro que permite o cálculo dos três casos de fluxo de massa que podem ocorrer quando uma superfície livre de água é exposta ao ar, cujas situações não podem ser previstas somente com a equação de Bowen. Então, a equação de Bowen-Sartori se torna:

${Q_{c,pa} \over Q_e} = {0.46(T_p -T_a) \over P_{wp} - (rh X P_a)}{p \over 760}$

onde rh é a umidade relativa.

Referências:

Sartori, E. "A mathematical model for predicting heat and mass transfer from a free water surface". Proc. ISES Solar World Congress, Germany (1987).

Esta nova equação também é considerada em:

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.

[editar] Fatores que afetam a taxa de evaporação

A concentração da substância evaporante no ar. Se o ar contiver uma alta concentração da substância que evapora, então tal substância evaporará mais devagar.
A concentração de outras substâncias no ar. Se o ar já estiver saturado com outras substâncias, poderá ter uma capacidade menor para a substância que evapora.
Temperatura. Se a substância estiver quente, a evaporação será rápida.
Vazão de ar. Isto está em parte relacionado com o tópico da concentração citado anteriormente. Se existe ar fresco passando pela substância o tempo todo, então é mais provável que sua concentração não aumente, o que favorece uma evaporação mais rápida. Além disso, moléculas em movimento têm mais energia cinética do que aquelas em repouso; por isso, quanto mais forte o fluxo de ar, maior é o potencial para evaporação.
Forças intermoleculares. Quanto maiores as forças intermoleculares dentro do líquido ou sólido, mais energia será necessária para fazer suas moléculas evaporarem.

[editar] Aplicações da evaporação

[editar] Evaporação forçada

É um processo usado na separação de misturas, no qual uma mistura é aquecida de forma a promover a evaporação do componente mais volátil (por exemplo, água) e deixar sobrar o componente menos volátil.

[editar] Deposição de filmes

A evaporação é um método comum de deposição de filmes finos, usada na indústria. A deposição evaporativa é um processo geralmente mais lento e, por isso, mais caro do que o método por impacto de íons (sputtering). Contudo, substratos plásticos geralmente não podem tolerar o bombardeio com átomos energeticamente neutros que inevitavelmente surgem em uma câmara de sputtering. Um exemplo importante de um processo evaporativo é a produção de filmes de Mylar aluminizados em um sistema roll-to-roll. Frequentemente, a camada de alumínio nesse material não é espessa o suficiente de forma a ser opaca, já que uma camada mais fina é menos custosa do que uma camada espessa. A principal função do alumínio é isolar o produto do ambiente externo, criando uma barreira à passagem de luz, oxigênio ou vapor d'água.

Para algumas aplicações, o fato de a deposição evaporativa ocorrer de modo diretamente visual (line-of-sight fashion, em inglês) é uma vantagem importante. A distribuição de energia do material evaporado aproxima-se a uma distribuição maxwelliana, com a temperatura da fonte de evaporação. Em contraste, os plasmas encontrados nos sistemas de sputtering estão longe do equilíbrio térmico e podem ter a distribuição desviada para o lado de maior energia, ou seja, têm partículas com velocidades aleatórias maiores. Por isso, a evaporação é um processo mais suave, com um feixe mais bem definido de matéria-prima que pode ser usado para revestir apenas um lado de um substrato ou até mesmo o lado característico de superfícies gravadas, como no processamento MEMS.

Os três principais tipos de evaporação são térmica, por feixe de elétrons e resistiva. No método térmico, o cadinho que retém a matéria-prima é aquecido por irradiação por um filamento que o envolve. No método por feixe de elétrons, a corrente que aquece o cadinho é proveniente de um filamento e atraído ao cadinho por alta voltagem. A evaporação resistiva é feita pela passagem de uma grande corrente através de um fio ou lâmina do material a ser depositado.