Evaporación y ebullición

En Leadville, Colorado, a unos 3100 m de altitud, la presión atmosférica es de unos 68 kPa y el agua hierve a unos 90 °C.

Un charco se seca en un día fresco sin acercarse siquiera a los 100 °C. En cambio, una olla de agua en la estufa permanece tranquila hasta que empieza a burbujear a unos 100 °C. Ambos fenómenos son formas de vaporización, el paso de líquido a gas, pero no son el mismo proceso. La evaporación ocurre solo en la superficie y a cualquier temperatura. La ebullición ocurre en todo el líquido, a una temperatura concreta que depende de la presión sobre él.

Evaporación y presión de vapor

En cualquier líquido, las moléculas tienen distintas rapideces. Algunas de la superficie se mueven lo bastante rápido como para separarse de sus vecinas y escapar al aire. Eso es la evaporación. Como las moléculas más rápidas salen primero, las que quedan tienen una energía media menor y el líquido se enfría. Así funciona el sudor. OpenStax calcula que evaporar 1.5 L de sudor en un clima cálido extrae unos 3600 kJ de calor del cuerpo.

En una botella cerrada, las moléculas que escapan se acumulan sobre el líquido y algunas vuelven a entrar en él. Con el tiempo, cada segundo regresan tantas como salen. La presión del vapor en ese momento es la presión de vapor del líquido. Depende de la sustancia y de la temperatura, no del tamaño de la botella. Los líquidos cuyas moléculas se atraen débilmente tienen presiones de vapor altas: a 20 °C, la del metanol es de 11.9 kPa y la del etanol, de 5.95 kPa. Al calentar un líquido, más moléculas tienen energía suficiente para escapar y su presión de vapor aumenta.

La ebullición depende del aire que hay encima

Un líquido hierve cuando su presión de vapor iguala la presión del entorno. Entonces pueden formarse burbujas de vapor dentro del líquido sin que se aplasten. El punto de ebullición normal es el que corresponde a 1 atm, es decir, 101.3 kPa. Para el agua es de 100 °C. En lo alto de las montañas, la presión atmosférica es menor y el agua hierve a una temperatura más baja: en Leadville, donde la presión es de unos 68 kPa, hierve a unos 90 °C. Una olla a presión hace lo contrario. Retiene el vapor, aumenta la presión y permite que el agua supere los 100 °C antes de hervir.

Vaporizar requiere mucha energía, más que fundir, porque hay que romper todas las atracciones con las moléculas vecinas, no solo debilitarlas. La entalpía de vaporización del agua es de 44.01 kJ/mol a 25 °C y de 40.67 kJ/mol en el punto de ebullición. Compárala con los 6.01 kJ/mol necesarios para fundir hielo: hervir un mol de agua requiere casi siete veces la energía necesaria para fundirlo. La condensación, el paso de gas a líquido, devuelve esa energía. Por eso una quemadura por vapor es peor que una por agua a la misma temperatura.

Sin pasar por el estado líquido

Algunos sólidos pasan directamente a gas. Es la sublimación. El hielo seco, dióxido de carbono sólido, desaparece poco a poco a temperatura ambiente sin dejar un charco. Los datos del NIST explican por qué: el dióxido de carbono solo puede ser líquido por encima de 5.185 bar, unas cinco veces la presión atmosférica normal, así que a 1 atm pasa directamente de sólido a gas a unos −78 °C. Su entalpía de sublimación es de 26.1 kJ/mol. El cambio inverso, de gas directamente a sólido, es la sublimación inversa. Así crece la escarcha sobre la ventanilla de un auto en una noche fría y despejada.