Evaporación

El agua se condensa en gotitas visibles después de evaporarse de una taza de té caliente.

En hidrología, la evaporación es una de las variables hidrológicas importantes al momento de establecer el balance hídrico de una determinada cuenca hidrográfica o parte de esta. En este caso, se debe distinguir entre la evaporación desde superficies libres y la evaporación desde el suelo.

La evaporación es un proceso físico que consiste en el pasaje lento y gradual de un estado líquido hacia un estado más o menos gaseoso, en función de un aumento natural o artificial de la temperatura, lo que produce influencia en el movimiento de las moléculas, agitándolas. Con la intensificación del desplazamiento, las partículas escapan hacia la atmósfera transformándose, consecuentemente, en vapor.

La evaporación es un fenómeno en el cual átomos o moléculas en el estado líquido (o sólido, se la substancia sublima) ganan energía suficiente para pasar al estado de vapor.

El movimiento térmico de una molécula de líquido debe ser suficiente para vencer la tensión superficial y evaporar, esto es, su energía cinética debe exceder el trabajo de cohesión aplicado por la tensión superficial a la superficie del líquido. Por eso, la evaporación acontece más rápidamente a altas temperaturas, a altos caudales entre las fases líquida y vapor y en líquidos con bajas tensiones superficiales (esto es, con presión de vapor más elevadas).

Con solamente una proporción pequeña de moléculas localizada cerca de la superficie y moviéndose en la dirección correcta para escapar del líquido en un cierto instante, la tasa de evaporación es limitada. Además, como las moléculas de mayor energía escapan y las que quedan tienen menor energía cinética média, la temperatura del líquido se reduce. Este fenómeno también es llamado de enfriamiento evaporativo. Un ejemplo para dicho fenómeno es la transpiración (sudor).

Equilibrio evaporativo

Presión del vapor de agua frente a la temperatura. (760 Torr = 1 atm.

Si la evaporación ocurre en un recipiente cerrado, las moléculas que escapan del líquido se acumulan en forma de vapor arriba del líquido. Muchas de esas moléculas regresan al estado líquido. Cuando el proceso de escape y regreso alcanza un equilibrio, el vapor es llamado saturado y no ocurren cambios adicionales en la presión de vapor o en la temperatura del líquido.

La razón entre la pérdida de calor de una superficie de agua por evaporación y la pérdida de calor debido a la convección, independiente de la velocidad del viento es dada por:

${Q_{c,pa} \over Q_{e}}={0.46(T_{p}-T_{a}) \over P_{wp}-P_{a}}{p \over 760}$

donde $Q_{c,pa}$ es la pérdida de calor de una superficie de agua por convección en W/(m²•K), $Q_{e}$ es la perdida de calor de una superficie de agua por evaporación en W/(m²•K), $T_{p}$ y $T_{a}$ son las temperaturas del agua y del aire en Kelvin (o Celsius) y $P_{wp}$ y $P_{a}$ son las presiones del vapor de la superficie del agua y del aire y $p$ es la presión barométrica, con todas presiones en mmHg (Bowen, 1926).

La ecuación de Bowen fue modificada por Sartori (1987) que introdujo un parámetro que permite el cálculo de los trés casos de flujo de masa que pueden ocurrir cuando una superficie libre de agua es expuesta al aire, cuyas situaciones no pueden ser calculadas solamente con la ecuación de Bowen. Así, la ecuación de Bowen-Sartori queda:

${Q_{c,pa} \over Q_{e}}={0.46(T_{p}-T_{a}) \over P_{wp}-(rhXP_{a})}{p \over 760}$

donde rh es la humedad relativa.

Referencias:

• Sartori, E. "A mathematical model for predicting heat and mass transfer from a free water surface". Proc. ISES Solar World Congress, Germany (1987).
• Sartori, E. “Solar still versus solar evaporator: a comparative study between their thermal behaviors”. Solar Energy, 56/2 (1996).
• Sartori, E. "A critical review on equations employed for the calculation of the evaporation rate from a free water surface". Solar Energy, 68/1 (2000).
• Sartori, E. "Letter to the Editor", Solar Energy Journal, 73/6, 2003.

Evaporación desde superficies líquidas

Bureau of Plant Industri (BPI); Colorado Sunken Pan; 20 m² Tank; M.O. Tank (Symons Tank). Siendo que las condiciones de contorno creadas tienen una influencia significativa, los resultados varían según qué evaporímetro se ha utilizado para la determinación.

Si se tiene en cuenta que los valores de evaporación medidos en el sitio de interés, para tener validez desde el punto de vista estadístico deben tener una duración de por lo menos 15 años, se comprende la dificultad. Esto ha impulsado a numerosos investigadores a analizar fórmulas empíricas, que permitan rápidamente llegar a un resultado lo más aproximado posible.

Fórmulas empíricas para determinar la evaporación desde un lago o una laguna

Una de las expresiones más simples ha sido propuesta por Visentini, y se aplica para cálculos aproximados en superficies líquidas situadas en cotas bajas, donde se puede considerar que la presión atmosférica es de aproximadamente 760 mm de columna de mercurio. Las fórmulas empíricas propuestas por Visentini son:

$\ E=75*t$ (para lagos o embalses con cota inferior a 200 msnm)

$\ E=90*t$ (para lagos o embalses con cota entre 200 y 500 msnm)

$\ E=90*t+300$ (para lagos o embalses con cota superior a 500 msnm)

Donde:

• E = Evaporación anual en mm
• t = Temperatura media anual en grados celcius

Nótese que para una temperatura media de 10 grados Celsius, la evaporación será entre 750 mm y 1200 mm por año, es decir de aproximadamente 2 a 3 mm por día.

Considerando que en la evaporación juegan roles importantes, entre otros, la temperatura del agua, la temperatura del aire, el viento, la insolación, etc., otros investigadores han propuesto fórmulas empíricas más complejas y que, por lo tanto, son más difíciles de usar.

Evaporación desde el suelo

Se ha encontrado de forma experimental que en los líquidos encontrados bajo superficies de bajos coeficientes de permeabilidad presentan el siguiente perfil:

E= .75e^(200-t)

Véase también

• vaporización
• evapotranspiración (por las plantas)
• vapor