Evaporação e ebulição

Em Leadville, no Colorado, a cerca de 3100 m de altitude, a pressão do ar é de aproximadamente 68 kPa e a água ferve por volta de 90 °C.

Uma poça seca em um dia fresco sem chegar nem perto de 100 °C. Já uma panela de água no fogão fica tranquila até começar a borbulhar, por volta de 100 °C. Nos dois casos ocorre vaporização, a passagem do líquido para o gás, mas os processos são diferentes. A evaporação acontece apenas na superfície, em qualquer temperatura. A ebulição ocorre em todo o líquido, em uma temperatura específica que depende da pressão sobre ele.

Evaporação e pressão de vapor

Em qualquer líquido, as moléculas têm velocidades variadas. Algumas na superfície se movem rápido o suficiente para se soltar das vizinhas e escapar para o ar. Isso é evaporação. Como as moléculas mais rápidas saem primeiro, as que ficam têm energia média menor, e o líquido esfria. É assim que o suor funciona. A OpenStax estima que a evaporação de 1.5 L de suor em um clima quente retire cerca de 3600 kJ de calor do corpo.

Em uma garrafa fechada, as moléculas que escapam se acumulam acima do líquido, e algumas voltam a ele ao colidir com a superfície. Com o tempo, a cada segundo voltam tantas moléculas quantas saem. A pressão do vapor nessa condição é a pressão de vapor do líquido. Ela depende da substância e da temperatura, não do tamanho da garrafa. Líquidos cujas moléculas se atraem fracamente têm pressão de vapor alta: a 20 °C, a do metanol é 11.9 kPa e a do etanol é 5.95 kPa. Ao aquecer um líquido, mais moléculas ganham energia suficiente para escapar, então sua pressão de vapor aumenta.

A ebulição depende da pressão sobre o líquido

Um líquido ferve quando sua pressão de vapor se iguala à pressão do ambiente. Nesse momento, bolhas de vapor conseguem se formar dentro dele sem serem esmagadas. O ponto de ebulição normal é o ponto de ebulição a 1 atm, ou 101.3 kPa. Para a água, ele vale 100 °C. No alto das montanhas, a pressão do ar é menor, então a água ferve em uma temperatura mais baixa: em Leadville, onde a pressão é de cerca de 68 kPa, ela ferve por volta de 90 °C. Uma panela de pressão faz o contrário. Ela retém vapor, aumenta a pressão e permite que a água ultrapasse 100 °C antes de ferver.

Vaporizar exige muita energia, mais que fundir, porque é preciso romper todas as atrações com as moléculas vizinhas, e não apenas enfraquecê-las. Para a água, a entalpia de vaporização é 44.01 kJ/mol a 25 °C e 40.67 kJ/mol no ponto de ebulição. Compare com os 6.01 kJ/mol para fundir gelo: vaporizar um mol de água exige quase sete vezes a energia necessária para fundi-lo. A condensação, passagem do gás para o líquido, devolve essa energia. Por isso, uma queimadura por vapor é pior que uma por água à mesma temperatura.

Sem passar pelo líquido

Alguns sólidos viram gás diretamente. Essa transformação é a sublimação. O gelo-seco, dióxido de carbono sólido, desaparece aos poucos à temperatura ambiente sem deixar uma poça. Os dados do NIST explicam por quê: o dióxido de carbono só pode ser líquido acima de 5.185 bar, cerca de cinco vezes a pressão atmosférica normal. Assim, a 1 atm, ele passa diretamente de sólido a gás por volta de −78 °C. Sua entalpia de sublimação é 26.1 kJ/mol. A transformação inversa, do gás diretamente para o sólido, é a ressublimação. A geada no vidro de um carro em uma noite fria e sem nuvens se forma dessa maneira.