UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO DEPARTAMENTO DE FÍSICA
Problema 11.
Questão Conceituais.
g) Se a água ferve a
, por que ela evapora na temperatura ambiente (
) num copo d’água?
Questão Conceituais.
g) Se a água ferve a
Passo 1
O enunciado dá duas informações e faz uma pergunta clara:
- Informação 1: A água ferve a
(essa é a temperatura de ebulição à pressão atmosférica padrão). - Informação 2: Num copo à temperatura ambiente, digamos
, a água evapora (perde moléculas para o ar) mesmo estando muito abaixo de .
Pergunta: Por que a água consegue evaporar ase “ferver” é ? Ou seja, qual a diferença física entre evaporação e ebulição (fervura) que explica isso?
Passo 2
Primeiro conceito-chave: a energia das moléculas não é fixa, é distribuída. Mesmo numa água à temperatura
(por exemplo
) as moléculas têm uma distribuição de energias/velocidades; algumas têm pouca energia, outras têm muita. A média da energia cinética translacional por molécula é dada por
onde
é a constante de Boltzmann e
a temperatura absoluta (em kelvin). Isso quer dizer que, a qualquer temperatura finita, sempre existe uma fração de moléculas que tem energia muito maior que a média.
Explicação simples: imagina as moléculas como pessoas numa festa: a temperatura é o barulho médio, mas sempre tem gente muito animada correndo pela sala — essas “animadas” são as moléculas com energia alta.
Passo 3
Mecanismo da evaporação (o que acontece na superfície): uma molécula na superfície do líquido pode escapar para a fase vapor se tiver energia suficiente para vencer as forças que a prendem ao líquido (energia de ligação superficial). Como existe sempre uma fração de moléculas com energia alta, algumas delas conseguem “sair” mesmo quando a temperatura média é bem abaixo de
. Esse escape de moléculas é a evaporação.
Pontos importantes:
- A evaporação ocorre na superfície (moléculas saem diretamente do topo do líquido).
- Não é necessário que toda a água atinja uma temperatura elevada; basta que algumas moléculas tenham energia suficiente.
- Ao escapar, as moléculas mais energéticas deixam o líquido, então a temperatura do líquido tende a cair (resfriamento por evaporação).
Passo 4
Agora a diferença formal entre evaporação e ebulição: introduzimos a pressão de vapor de equilíbrio (ou pressão de saturação)
. Definição:
é a pressão que o vapor em equilíbrio com o líquido exerce à temperatura
. A fervura (ebulição) acontece quando a pressão de vapor do líquido iguala a pressão externa (por exemplo a pressão atmosférica
). Em fórmula:
Para a água à pressão atmosférica normal isso acontece em
. Em temperaturas menores, como
, tem-se
(por exemplo
está na casa de alguns
enquanto
). Portanto não se formam bolhas de vapor no interior do líquido e não ocorre fervura.
Passo 5
Como então ocorre evaporação se
? Porque evaporação é um processo de superfície controlado pelo balanço entre:
- a tendência de moléculas saírem do líquido para o ar (evaporação), e
- a tendência de moléculas do vapor voltarem para o líquido (condensação).
Se a pressão parcial do vapor de água no ar acima do líquido,
, for menor que
, haverá uma perda líquida de moléculas do líquido para o ar — ocorre evaporação líquida. Em ar seco
é baixo, então a evaporação é rápida; em ar muito úmido
aproxima-se de
e a evaporação diminui ou para. A razão é que não é preciso que
iguale
para haver saída de moléculas — basta que o ar não esteja saturado.
Definição útil: humidade relativa
Se
há evaporação líquida.
Passo 6
Porque não aparecem bolhas no copo a
: para uma bolha se formar no interior do líquido, a pressão de vapor dentro dela deve vencer a pressão do líquido em torno (que inclui pressão atmosférica). A baixa
faz com que qualquer bolha formada colapse; bolhas persistentes só aparecem quando
alcança
— isto é, na fervura. Em altitude, como
é menor, a temperatura de ebulição cai (por isso ferve mais baixo lá).
Passo 7
Resumo prático e fatores que afetam a taxa de evaporação (como você pode usar na prova ou num experimento rápido):
- Temperatura maior
mais moléculas com energia alta evaporação mais rápida. - Maior área superficial
mais moléculas na borda escapando evaporação mais rápida. - Ar com baixa humidade / movimento do ar
menor evaporação mais rápida. - Evaporação causa resfriamento do líquido (as moléculas mais energéticas saem).
- Fervura é um processo volumétrico (bolhas) controlado por
; evaporação é um processo de superfície que pode ocorrer a qualquer enquanto o ar não estiver saturado.
Passo 8
Concisão final para decorar e usar na prova: a água evapora a
porque algumas moléculas têm energia suficiente para escapar da superfície e porque o ar não está saturado — já a fervura só ocorre quando a pressão de vapor do líquido atinge a pressão externa (por isso a água ferve somente em
à pressão normal). Você consegue responder isso de forma curta e correta durante a prova — e, se precisar, mencione também humidade e resfriamento por evaporação para enriquecer a resposta.
Resposta
Porque evaporação é um processo de superfície: mesmo a
existe uma fração de moléculas com energia suficiente para escapar para o ar, e enquanto a pressão parcial do vapor no ar for menor que a pressão de saturação
haverá perda líquida de moléculas. Já a fervura (ebulição) exige que
iguale a pressão externa (
), o que, à pressão atmosférica normal, ocorre apenas em
.