Evaporazione

In fisica l'evaporazione è il passaggio di stato dal liquido a quello aeriforme (gas o vapore)^[1] che coinvolge la sola superficie del liquido. Alla temperatura di ebollizione avviene invece il processo di ebollizione^[1] che coinvolge l'intero volume del liquido. Entrambi i processi rappresentano il cambiamento di stato da liquido ad aeriforme vengono complessivamente identificati sotto il nome di vaporizzazione.^[2]

In natura l'evaporazione è fondamentale nel ciclo dell'acqua: fiumi, laghi, mari e oceani cedono parte della propria acqua che raggiunge l'atmosfera terrestre sotto forma di vapore, dove è funzione della temperatura dell'aria, dell'umidità relativa e della velocità del vento. Il vapore per condensazione si trasforma successivamente in pioggia, neve o grandine. La fonte esterna di energia è l'energia radiante del Sole.^[3] L'evaporazione è funzione diretta della temperatura e funzione inversa della pressione di vapore (umidità relativa) dell'ambiente: all'aumentare della temperatura aumenta il flusso evaporante e alla saturazione dell'ambiente si ha raggiungimento dell'equilibrio cioè a ogni molecola che evapora in un dato intervallo di tempo ce n'è in media un'altra che ritorna nella fase liquida nello stesso intervallo di tempo.

Anche la circolazione aerea ovvero il vento può favorire l'evaporazione. Nelle saline si sfrutta il fenomeno dell'evaporazione naturale per la produzione di sale.

L'evaporazione in impiantistica è il nome di due operazioni unitarie in cui:

• viene rimosso, mediante somministrazione di energia termica, un componente non volatile di una soluzione o di una sospensione (che viene portata oltre il suo punto di ebollizione), ottenendo così una soluzione o sospensione più concentrata negli altri componenti;^[4][5]
• viene scambiato calore allo scopo di ottenere la vaporizzazione di un liquido.^[5] Ne è un esempio l'evaporatore di un ciclo frigorifero.

Nel primo caso l'obiettivo dell'operazione è la separazione, mentre nel secondo caso è lo scambio termico.

In ambedue i casi l'apparecchiatura atta a compiere il processo unitario è detta evaporatore.

Nel processo di evaporazione, che è sempre endotermico,^[1] l'entalpia del liquido soggetto a evaporazione diminuisce, per sottrazione di energia cinetica, di una quantità specifica denominata calore latente. Nei liquidi puri (ossia non in soluzione) questa cessione di energia avviene in modo isotermico, ossia senza variazione di temperatura.

A differenza del fenomeno dell'ebollizione, che avviene a temperature caratteristiche per ogni sostanza (a pressione fissata) e coinvolge l'intera massa di liquido, l'evaporazione avviene a qualsiasi temperatura, e coinvolge solo il pelo libero di un liquido.^[6] In queste condizioni una molecola evapora dal liquido se acquista energia cinetica sufficiente ad allontanarsi dal pelo libero del liquido, il che avviene in maniera del tutto casuale ovvero secondo le leggi della statistica.

Il fenomeno dell'evaporazione segue la legge delle pressioni parziali di Dalton:

${\displaystyle G=-\left[D{\frac {\left(\rho _{s}-\rho _{r}\right)}{\delta }}\right]}$

dove:

• G = portata specifica di evaporazione;
• δ = spessore dello strato limite;
• ρ_s = densità del vapore su superficie evaporante;
• ρ_r = densità del vapore su interfaccia strato limite – atmosfera;
• D = diffusività del vapore per il fluido in evaporazione;

oppure, in termini energetici:

${\displaystyle q=-\Delta h_{lg}\left[D{\frac {\left(\rho _{s}-\rho _{r}\right)}{\delta }}\right]}$

dove:

• q = flusso termico di evaporazione;
• Δh_lg = calore latente di vaporizzazione.

Per trasformare l'equazione in termini di tensione di vapore si può ipotizzare in prima approssimazione l'equazione di stato dei gas perfetti; per esempio, per l'acqua:

${\displaystyle \rho ={\frac {m_{m}}{R}}\cdot {\frac {p}{T}}={\frac {18\ \mathrm {g/mol} }{8,314\ \mathrm {J/mol/K} }}\cdot {\frac {p}{T}}=2,165\ \mathrm {\frac {g\cdot K}{J}} \cdot {\frac {p}{T}}}$

dove:

• ${\displaystyle T}$ = temperatura;
• ${\displaystyle p}$ = pressione;
• ${\displaystyle \rho }$ = densità;
• ${\displaystyle m_{m}}$ = massa molare;
• ${\displaystyle R}$ = costante universale dei gas;

e quindi:

${\displaystyle q=-\Delta h_{lg}\cdot D\cdot {\frac {2,165\left(p_{s}-p_{r}\right)}{T\cdot \delta }}}$

dove:

• p_s = tensione di vapore su superficie evaporante;
• p_r = tensione di vapore su interfaccia strato limite atmosfera;

e quindi:

${\displaystyle q=-\Delta h_{lg}\cdot {\frac {2,165\left(p_{s}-p_{r}\right)}{T\cdot R_{a}\cdot R_{t}}}}$

dove:

• Ra = δ/D (resistenza alla diffusione);
• R_t = resistenza aggiuntiva (se, per esempio, il fluido evaporante si trova all'interno di tessuti vegetali).

Il calcolo della quantità d'acqua evaporata da specchi liquidi in generale non è banale e in letteratura si prediligono espressioni empiriche che forniscono valori dell'evaporazione giornaliera, mensile o annua; ad esempio Rohuver (1931) propone per il calcolo dell'evaporazione giornaliera (mm/giorno):^[7]

${\displaystyle \varepsilon _{g}=0,771\cdot (1,465-0,0007\cdot p)(0,44+w)(E-e)}$

dove:

• ${\displaystyle E}$ è la tensione di vapore saturo (mmHg);
• ${\displaystyle e}$ è la tensione di vapore presente (mmHg);
• ${\displaystyle p}$ è la pressione barometrica (mmHg);
• ${\displaystyle w}$ velocità del vento (km/h);

Dalton (1802) propone per l'evaporazione mensile (mm/mese):^[7]

${\displaystyle \varepsilon _{m}=k\cdot ({\bar {E}}-{\bar {e}})\cdot {760 \over {\bar {p}}},}$

essendo:

• ${\displaystyle {\bar {E}}}$ ed ${\displaystyle {\bar {e}}}$ riferite alla temperatura media mensile;
• ${\displaystyle k=0,56}$ per aria poco mossa e ${\displaystyle k=0,70}$ con vento moderato.

• Luigi Rolla, Chimica e mineralogia. Per le Scuole superiori, 29ª ed., Dante Alighieri, 1987.
• Robert H. Perry, Don W. Green - Chemical Engineers' Handbook, 8th Edition pp- 11-107 segg.- McGraw Hill - ISBN 0-07-142294-3
• D. Q. Kern - Process Heat Transfer (1950) - McGraw-Hill - ISBN 0-07-034190-7
• Guarise G. Berto, "Lezioni di impianti chimici. Concentrazione per evaporazione, cristallizzazione", editore CLEUP, 2006. ISBN 88-7178-795-1
• Luigi Da Deppo, Claudio Datei e Paolo Salandin, Sistemazione dei corsi d'acqua, 2ª ed., 1997, ISBN 88-7784-171-0.

• Distillazione
• Evaporatore
• Evaporatore atmosferico
• Vapore
• Evaporatore rotante
• Fase (chimica)
• Entalpia di vaporizzazione
• Operazione unitaria
• Vaporizzazione

• Wikibooks contiene testi o manuali sull'evaporazione
• Wikizionario contiene il lemma di dizionario «evaporazione»
• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file sull'evaporazione

• (EN) evaporation, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• Percorso didattico sull'evaporazione (PDF), su edscuola.it.
• L'evaporazione dagli specchi liquidi (PDF) ^{[collegamento interrotto]}, su cig.ensmp.fr.

V · D · M Stati della materia
Principali	Solido · Liquido · Aeriforme · Plasma · Condensato di Bose-Einstein
Cambiamenti di stato	Fusione · Solidificazione · Cristallizzazione · Punto di fusione · Ebollizione · Evaporazione · Condensazione · Sublimazione · Brinamento
Miscele	Caligine · Sospensione · Dispersione · Soluzione · Lega · Colloide · Aerosol · Nebbia · Spray liquido · Fumo · Particolato · Polvere · Schiuma · Emulsione · Sol · Aerogel · Gel · Schiuma solida · Miscela gassosa
Altri	Gas · Vapore · Fluido · Gas ideale · Gas reale · Fluido supercritico · Superfluido · Supersolido · Supervetro · Condensato fermionico · Materia degenere · Materia strana · Plasma di quark e gluoni · Cristalli liquidi · Fluido ideale · Materia di Rydberg · Polarone di Rydberg · Materia di quark · Liquido di spin quantistico · Eccitonio · Eccitone legato al fotone · Stato a fusione di catena
Concetti	Punto triplo · Punto critico · Equazione di stato · Curva di raffreddamento · Fase · Solidus · Liquidus

V · D · M Processi di separazione
Processi	Absorbimento · Adsorbimento · Assorbimento (Assorbimento gas-liquido) · Concentrazione · Cristallizzazione frazionata · Degasaggio · Dialisi · Elettrodialisi · Elettroflottazione · Essiccamento · Evaporazione · Evaporazione flash · Flocculazione · Flottazione · Lisciviazione · Metodo dei liquidi pesanti · Osmosi · Osmosi inversa · Precipitazione · Scambio ionico · Sedimentazione · Setacciatura · Sublimazione Cromatografia Cromatografia a permeazione di gel · Cromatografia a scambio ionico · Cromatografia di adsorbimento · Cromatografia di esclusione molecolare · Cromatografia di affinità · Cromatografia di ripartizione · Cromatografia liquida ad alta prestazione · Cromatografia su carta · Cromatografia su strato sottile · Gascromatografia Distillazione Distillazione azeotropica · Distillazione catalitica · Distillazione frazionata · Distillazione in corrente di vapore · Distillazione molecolare · Distillazione sottovuoto Elettroforesi Elettroforesi bidimensionale · Elettroforesi capillare · Elettroforesi delle sieroproteine · Elettroforesi su gel di agarosio · Elettroforesi su gel di poliacrilammide Estrazione Estrazione liquido-liquido · Estrazione accelerata con solvente Filtrazione Diafiltrazione · Microfiltrazione · Nanofiltrazione · Ultrafiltrazione
Apparecchiature chimiche	Addolcitore · Atomizzatore · Centrifuga · Colonna a piatti · Colonna a riempimento · Colonna di assorbimento · Colonna di distillazione · Cristallizzatore · Demister · Estrattore Soxhlet · Evaporatore · Filtro a giostra · Filtro a maniche · Filtro a tamburo · Filtropressa · Precipitatore elettrostatico · Scrubber · Ultracentrifuga
Varie	Scambio di materia · Operazione unitaria · Membrana semipermeabile · Resina a scambio ionico

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