Evaporazione ed ebollizione

A Leadville, in Colorado, a circa 3100 m di quota, la pressione atmosferica è di circa 68 kPa e l'acqua bolle a circa 90 °C.

Una pozzanghera si asciuga in una giornata fresca senza mai avvicinarsi a 100 °C. Una pentola d'acqua sul fornello, invece, resta tranquilla finché non comincia a formare bolle a circa 100 °C. Entrambi i fenomeni sono forme di vaporizzazione, il passaggio da liquido a gas, ma non sono lo stesso processo. L'evaporazione avviene solo in superficie e a qualsiasi temperatura. L'ebollizione avviene in tutto il liquido, a una temperatura precisa che dipende dalla pressione sovrastante.

Evaporazione e pressione di vapore

In ogni liquido le molecole hanno velocità diverse. Alcune, in superficie, si muovono abbastanza rapidamente da separarsi dalle vicine e sfuggire nell'aria. Questa è l'evaporazione. Poiché escono prima le molecole più veloci, quelle che restano hanno un'energia media minore e il liquido si raffredda. Il sudore funziona così. OpenStax stima che l'evaporazione di 1.5 L di sudore in un clima caldo sottragga al corpo circa 3600 kJ di calore.

In una bottiglia chiusa le molecole che sfuggono si raccolgono sopra il liquido e alcune vi rientrano urtandolo. Alla fine, ogni secondo ne rientrano tante quante ne escono. La pressione del vapore in questa condizione è la pressione di vapore del liquido. Dipende dalla sostanza e dalla temperatura, non dalle dimensioni della bottiglia. I liquidi con deboli attrazioni intermolecolari hanno pressioni di vapore elevate: a 20 °C quella del metanolo è 11.9 kPa e quella dell'etanolo è 5.95 kPa. Riscaldando un liquido, più molecole hanno energia sufficiente per sfuggire e la pressione di vapore aumenta.

L'ebollizione dipende dalla pressione esterna

Un liquido bolle quando la sua pressione di vapore uguaglia la pressione dell'ambiente. A quel punto al suo interno possono formarsi bolle di vapore senza essere schiacciate. Il punto di ebollizione normale è quello misurato a 1 atm, cioè 101.3 kPa. Per l'acqua è 100 °C. In alta montagna la pressione atmosferica è minore e l'acqua bolle a una temperatura inferiore: a Leadville, dove la pressione è di circa 68 kPa, bolle a circa 90 °C. Una pentola a pressione fa il contrario. Trattiene il vapore, aumenta la pressione e permette all'acqua di superare 100 °C prima di bollire.

La vaporizzazione richiede molta energia, più della fusione, perché occorre vincere tutte le attrazioni con le molecole vicine, non soltanto indebolirle. Per l'acqua l'entalpia di vaporizzazione è 44.01 kJ/mol a 25 °C e 40.67 kJ/mol al punto di ebollizione. Confrontala con i 6.01 kJ/mol necessari a fondere il ghiaccio: far bollire una mole d'acqua richiede quasi sette volte l'energia necessaria a fonderla. La condensazione, da gas a liquido, restituisce quell'energia. Ecco perché il vapore provoca ustioni peggiori dell'acqua alla stessa temperatura.

Saltare lo stato liquido

Alcuni solidi passano direttamente allo stato gassoso: è la sublimazione. Il ghiaccio secco, anidride carbonica solida, scompare lentamente a temperatura ambiente senza lasciare una pozza. I dati NIST spiegano perché: l'anidride carbonica può essere liquida soltanto sopra 5.185 bar, circa cinque volte la pressione atmosferica normale; a 1 atm passa quindi direttamente da solido a gas a circa −78 °C. La sua entalpia di sublimazione è 26.1 kJ/mol. Il passaggio inverso, direttamente da gas a solido, si chiama brinamento. La brina sul finestrino di un'auto in una notte fredda e serena si forma così.